Ved hjælp af vaklende stjernemateriale måler astronomer spindet af et supermassivt sort hul for første gang

Astronomer ved MIT, NASA og andre steder har en ny måde at måle, hvor hurtigt et sort hul spinder, ved at bruge de vaklende eftervirkninger fra dets stjernernes fest.

Metoden drager fordel af en sort huls tidevandsafbrydelse - et lynende lyst øjeblik, hvor et sort hul udøver tidevand på en forbipasserende stjerne og river den i stykker. Da stjernen forstyrres af det sorte huls enorme tidevandskræfter, blæses halvdelen af ​​stjernen væk, mens den anden halvdel slynges rundt om det sorte hul og genererer en intenst varm tilvækstskive af roterende stjernemateriale.

Det MIT-ledede team har vist, at slingren af ​​den nyoprettede accretion-disk er nøglen til at finde ud af det centrale sorte huls iboende spin.

I en undersøgelse, der vises i Nature , rapporterer astronomerne, at de har målt spin af et nærliggende supermassivt sort hul ved at spore mønsteret af røntgenglimt, som det sorte hul producerede umiddelbart efter en tidevandsafbrydelse.

Holdet fulgte blinkene over flere måneder og fastslog, at de sandsynligvis var et signal om en lys-varm tilvækstskive, der slingrede frem og tilbage, mens den blev skubbet og trukket af det sorte huls eget spin.

Ved at spore, hvordan skivens slingre ændrede sig over tid, kunne forskerne regne ud, hvor meget skiven blev påvirket af det sorte huls spin, og til gengæld, hvor hurtigt det sorte hul selv drejede. Deres analyse viste, at det sorte hul snurrede med mindre end 25 procent af lysets hastighed – relativt langsomt, efterhånden som sorte huller går.

Studiets hovedforfatter, MIT Research Scientist Dheeraj "DJ" Pasham, siger, at den nye metode kan bruges til at måle spins af hundredvis af sorte huller i lokaluniverset i de kommende år. Hvis videnskabsmænd kan overskue spin af mange nærliggende sorte huller, kan de begynde at forstå, hvordan gravitationsgiganterne udviklede sig i løbet af universets historie.

"Ved at studere adskillige systemer i de kommende år med denne metode kan astronomer estimere den overordnede fordeling af sorte huls spins og forstå det langvarige spørgsmål om, hvordan de udvikler sig over tid," siger Pasham, som er medlem af MIT's Kavli Institute for Astrophysics og Rumforskning.

Studiets medforfattere omfatter samarbejdspartnere fra en række institutioner, herunder NASA, Masaryk University i Tjekkiet, University of Leeds, University of Syracuse, Tel Aviv University, Polish Academy of Sciences og andre steder.

Strimlet varme

Hvert sort hul har et iboende spin, der er blevet formet af dets kosmiske møder over tid. Hvis for eksempel et sort hul er vokset hovedsageligt gennem tilvækst - korte tilfælde, hvor noget materiale falder ned på skiven, får dette det sorte hul til at spinde op til ret høje hastigheder. I modsætning hertil, hvis et sort hul hovedsageligt vokser ved at smelte sammen med andre sorte huller, kan hver fusion bremse tingene, efterhånden som det ene sorte huls spin mødes mod det andets spin.

Når et sort hul snurrer, trækker det den omgivende rumtid rundt med sig. Denne trækeffekt er et eksempel på Lense-Thirring-precession, en mangeårig teori, der beskriver de måder, hvorpå ekstremt stærke gravitationsfelter, såsom dem, der genereres af et sort hul, kan trække på det omgivende rum og tid. Normalt ville denne effekt ikke være tydelig omkring sorte huller, da de massive genstande ikke udsender lys.

Men i de seneste år har fysikere foreslået, at forskere, i tilfælde som under en tidevandsafbrydelse eller TDE, kan have en chance for at spore lyset fra stjernernes affald, når det trækkes rundt. Så håber de måske at måle det sorte huls spin.

Især under en TDE forudsiger forskere, at en stjerne kan falde ned i et sort hul fra enhver retning, hvilket genererer en skive af hvidglødende, strimlet materiale, der kan vippes eller justeres forkert i forhold til det sorte huls spin. (Forestil dig akkretionsskiven som en skrå donut, der snurrer rundt om et doughnuthul, der har sit eget, separate spin.)

Når skiven støder på det sorte huls spin, slingrer den, mens det sorte hul trækker det på linje. Til sidst aftager slingren, efterhånden som disken sætter sig ind i det sorte huls spin. Forskere forudsagde, at en TDE's slingrende disk derfor skulle være en målbar signatur af det sorte huls spin.

"Men nøglen var at have de rigtige observationer," siger Pasham. "Den eneste måde du kan gøre dette på er, så snart en tidevandsforstyrrelse går i gang, skal du få et teleskop til at se på dette objekt kontinuerligt i meget lang tid, så du kan sondere alle slags tidsskalaer, fra minutter til måneder."

En fangst med høj kadence

I de sidste fem år har Pasham ledt efter tidevandsafbrydelseshændelser, der er lyse nok, og tæt nok på, til hurtigt at følge op og spore efter tegn på Lense-Thirring-præcession. I februar 2020 var han og hans kolleger heldige med påvisningen af ​​AT2020ocn, et lysstærkt blitz, der emanerede fra en galakse omkring en milliard lysår væk, som oprindeligt blev opdaget i det optiske bånd af Zwicky Transient Facility.

Ud fra de optiske data syntes flashen at være de første øjeblikke efter en TDE. Da han var både lysstærk og relativt tæt på, havde Pasham en mistanke om, at TDE kunne være den ideelle kandidat til at lede efter tegn på diskusling og muligvis måle det sorte huls spin i værtsgalaksens centrum. Men til det ville han have brug for meget mere data.

"Vi havde brug for hurtige data med høj kadence," siger Pasham. "Nøglen var at fange dette tidligt, fordi denne præcession, eller slingre, kun skulle være til stede tidligt. Senere, og disken ville ikke slingre længere."

Holdet opdagede, at NASA's NICER-teleskop var i stand til at fange TDE og løbende holde øje med det over måneder ad gangen. NICER – en forkortelse for Neutron star Interior Composition ExploreR – er et røntgenteleskop på den internationale rumstation, der måler røntgenstråling omkring sorte huller og andre ekstreme gravitationsobjekter.

Pasham og hans kolleger gennemgik NICER's observationer af AT2020ocn over 200 dage efter den første påvisning af tidevandsafbrydelsen. De opdagede, at hændelsen udsendte røntgenstråler, der så ud til at toppe hver 15. dag i flere cyklusser, før de til sidst forsvandt.

De fortolkede toppene som tidspunkter, hvor TDE's tilvækstskive slingrede ansigtet og udsendte røntgenstråler direkte mod NICERs teleskop, før den vaklede væk, mens den fortsatte med at udsende røntgenstråler (svarende til at vifte en lommelygte mod og væk fra nogen hver 15. dag ).

Forskerne tog dette slingringsmønster og arbejdede det ind i den originale teori for Lense-Thirring-præcession. Baseret på estimater af det sorte huls masse og den forstyrrede stjernes masse, var de i stand til at komme med et skøn for det sorte huls spin - mindre end 25 procent af lysets hastighed.

Deres resultater markerer første gang, at forskere har brugt observationer af en slingrende skive efter en tidevandsforstyrrelse til at estimere spindet af et sort hul. Efterhånden som nye teleskoper såsom Rubin Observatory kommer online i de kommende år, forudser Pasham flere muligheder for at fastholde sorte hul-spin.

"Spinningen af ​​et supermassivt sort hul fortæller dig om historien om det sorte hul," siger Pasham. "Selv hvis en lille brøkdel af dem, som Rubin fanger, har denne slags signaler, har vi nu en måde at måle spins af hundredvis af TDE'er. Så kunne vi komme med en stor erklæring om, hvordan sorte huller udvikler sig over universets alder. "