Et internationalt team af videnskabsmænd har for første gang målt spinhastigheden for et supermassivt sort hul.
Resultaterne, der er foretaget af de to røntgenstråleobservatorier, NASAs Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR) og Det Europæiske Rumorganisations XMM-Newton, løser en langvarig debat om lignende målinger i andre sorte huller og vil føre til en bedre forståelse af hvordan sorte huller og galakser udvikler sig.
”Vi kan spore sagen, når det hvirvler ind i et sort hul ved hjælp af røntgenstråler, der udsendes fra regioner meget tæt på det sorte hul,” sagde Fiona Harrison, NuSTAR-hovedundersøger ved California Institute of Technology, Pasadena, og medforfatter for en ny undersøgelse, der vises i den 28. februar-udgave af Nature. "Strålingen, vi ser, er fordrejet og forvrænget af partiklernes bevægelse og af det sorte huls utrolige stærke tyngdekraft."
Denne kunstners koncept illustrerer et supermassivt sort hul med millioner til milliarder gange massen af vores sol. Supermassive sorte huller er enormt tætte genstande, der er begravet i hjertene af galakser. I denne illustration er det supermassive sorte hul i midten omgivet af stof, der flyder ud på det sorte hul i det, der kaldes en akkretionsskive. Denne disk dannes, når støvet og gasen i galaksen falder ned i hullet, tiltrukket af dens tyngdekraft. Også vist er en udstrømmende stråle af energiske partikler, der menes at være drevet af det sorte huls spin. Billedet er tilladt af NASA / JPL-Caltech.
Dannelsen af supermassive sorte huller menes at spejle dannelsen af selve galaksen, da en brøkdel af alt det stof, der trækkes ind i galaksen, finder vej ind i det sorte hul. På grund af dette er astronomer interesseret i at måle rotationshastighederne for sorte huller i galakernes hjerter.
Observationerne er også en kraftig test af Einsteins teori om generel relativitet, som hævder, at tyngdekraften kan bøje lys og rum-tid. Røntgen-teleskoper detekterede disse snevende effekter i de mest ekstreme miljøer, hvor det enorme tyngdekraftfelt i et sort hul ændrer rumtiden meget.
NuSTAR, en NASA Explorer-klasse-mission, der blev lanceret i juni 2012, er unikt designet til at detektere røntgenlys med højeste energi i detaljer. For Livermore var forgængeren til NuSTAR et ballonbåret instrument kendt som HEFT (High Energy Focusing Telescope), der delvis blev finansieret af en Laboratory Directed Research and Development-investering, der startede i 2001. NuSTAR tager HEFTs røntgenfokuseringsevner og s dem ud over Jordens atmosfære på en satellit. Optikdesignet og fremstillingsprocessen for NuSTAR er baseret på dem, der bruges til at bygge HEFT-teleskoper.
NuSTAR supplerer teleskoper, der observerer lavere energi-røntgenlys, såsom Det Europæiske Rumorganisations (ESA's) XMM-Newton og NASAs Chandra røntgenobservatorium. Forskere bruger disse og andre teleskoper til at estimere de hastigheder, hvormed sorte huller roterer.
”Vi ved, at sorte huller har et stærkt link til deres værtsgalakse,” sagde astrofysiker Bill Craig, medlem af LLNL-teamet. "Måling af spin, en af de få ting, vi direkte kan måle fra et sort hul, vil give os ledetråde til at forstå dette grundlæggende forhold."
Holdet brugte NuSTAR til at observere røntgenstråler udsendt af varm gas på en disk lige uden for "begivenhedshorisonten", grænsen omkring et sort hul, hvorfra intet, inklusive lys, kan undslippe.
Forskere måler spinhastighederne for supermassive sorte huller ved at sprede røntgenlyset i forskellige farver. Lyset kommer fra akkretionsskiver, der hvirver rundt om sorte huller, som vist i begge kunstnerens koncepter. De bruger røntgenstråleteleskoper til at studere disse farver og ser især efter en "finger" af jern - toppen vist i begge grafer eller spektre - for at se, hvor skarp den er. "Rotations" -modellen, der blev vist øverst, hævdede, at jernfunktionen blev spredt ved at fordreje effekter forårsaget af det enorme tyngde af det sorte hul. Hvis denne model var korrekt, skulle størrelsen af forvrængning, der ses i jernfunktionen, afsløre det sorte huls omdrejningshastighed. Den alternative model hævdede, at skjule skyer, der lå i nærheden af det sorte hul, fik jernlinjen til at forekomme kunstigt forvrænget. Hvis denne model var korrekt, kunne dataene ikke bruges til at måle sort hulsnurr. NUSTAR var med til at løse sagen ved at udelukke den alternative "skjule sky" -model. Billedet er tilladt af NASA / JPL-Caltech.
Tidligere målinger var usikre, fordi skjule skyer omkring de sorte huller i teorien kunne have forvirret resultaterne. Ved at arbejde sammen med XMM-Newton kunne NuSTAR se en bredere række røntgenenergi, der trænger dybere ind i området omkring det sorte hul. De nye observationer udelukkede ideen om at skjule skyer og demonstrere, at spinhastighederne af supermassive sorte huller kan bestemmes endeligt.
”Dette er enormt vigtigt inden for området med sort hul,” sagde Lou Kaluzienski, NuSTAR-programvidenskabsmand ved NASAs hovedkvarter i Washington, D.C. ”NASA- og ESA-teleskoper løste dette problem sammen. I takt med røntgenobservationer med lavere energi, der blev udført med XMM-Newton, gav NuSTAR's enestående evner til måling af røntgenstråler med højere energi et essentielt, manglende puslespil for at afsløre dette problem. ”
NuSTAR og XMM-Newton observerede samtidigt det to-millioner solmasse supermassive sorte hul, der lå ved støv og gasfyldt hjerte i en galakse kaldet NGC 1365. Resultaterne viste, at det sorte hul roterer tæt på den maksimale hastighed, der er tilladt af Einsteins teori om tyngdekraft.
”Disse monstre, med masser fra millioner til milliarder af gange solens, er dannet som små frø i det tidlige univers og vokser derefter ved at sluge stjerner og gas i deres værtsgalakser og / eller fusionere med andre kæmpe sorte huller, når galakser kolliderer, ”sagde Guido Risaliti, hovedforfatter af den nye undersøgelse fra Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics i Cambridge, Mass. og det italienske National Institute for Astrophysics. "Måling af drejningen af et supermassivt sort hul er grundlæggende for at forstå dens fortidshistorie og dens værtsgalakse."
Via Lawrence Livermore National Laboratory