Mustat aukot taipuvat ymmärrystämme maailmankaikkeudesta ja fysiikan laeista. Kun musta reikä pyörii, se vetää ympäröivää tilaa sen ympärille ja antaa tähtitieteilijöille mahdollisuuden tutkia joitain Einsteinin ennusteita suhteellisuudesta.
Mustajen reikien olemassaolo on ehkä kiehtovin ennuste Einsteinin yleiselle suhteellisuusteorialle. Kun mistä tahansa massasta, kuten tähti, tulee kompaktimpi kuin tietty raja, sen oma painovoima muuttuu niin vahvaksi, että esine putoaa yksittäiseen pisteeseen, mustaan reikään. Suositun mielen mukaan tämä valtava painovoimakaivo on paikka, jossa tapahtuu outoja asioita. Ja nyt astrofysiikan ohjaama joukkue on mitannut tähtimassan mustan aukon, joka pyörii niin nopeasti - kääntyen yli 950 kertaa sekunnissa -, että se työntää ennustettua pyörimisnopeuden rajoitusta.
"Sanoisin, että tämä painovoimajärjestelmä on yhtä kaukana suorasta kokemuksesta ja tiedosta kuin itse subatominen maailma", sanoo CfA: n tähtitieteilijä Jeffrey McClintock.
Ryhmä käytti McClintockin ja CfA: n astrofysiikan Ramesh Narayanin yhdessä kehittämää kehruun mittausmenetelmää NASA: n Rossi-röntgensäteen ajoitustutkimuksen satelliittitiedoilla saadakseen suorimman määrityksen mustan aukon spinistä vielä.
McClintock ja Narayan johtivat kansainvälistä ryhmää, johon kuuluivat Rebecca Shafee, Harvardin yliopiston fysiikan laitos; Ronald Remillard, Kavlin astrofysiikan ja avaruustutkimuksen keskus, MIT; Shane Davis, Kalifornian yliopisto, Santa Barbara, ja Li-Xin Li, Max-Planckin astrofysiikan instituutti, Saksa, tässä tutkimuksessa. Tulokset julkaistaan tämänpäiväisessä Astrophysical Journal -lehdessä.
"Meillä on nyt tarkat arvot kolmen mustan aukon spin-nopeuksille", McClintock sanoo. "Mielenkiintoisin on tuloksemme mikrokvasaarille GRS1915 + 105, jonka spin on välillä 82% - 100% teoreettisesta maksimiarvosta."
"Tällä tuloksella on suuri merkitys selitettäessä, kuinka mustat reiät emittoivat suuttimia, mahdollisten gammasäteilyn lähteiden mallintamiseen ja gravitaatioaaltojen havaitsemiseen", sanoo teoreetikko Narayan.
Miksi tähtitieteilijät välittävät spinistä?
"Tähtitiedessä musta aukko on täysin kuvattu vain kahdella numerolla, jotka määrittelevät sen massan ja kuinka nopeasti se pyörii", sanoo McClintock. "Emme tiedä mitään muuta tätä yksinkertaista paitsi perustavanlaatuista hiukkasta, kuten elektronia tai kvarkkia."
Vaikka tähtitieteilijät ovat onnistuneet mittaamaan mustan aukon massaa, heidän on havaittu olevan paljon vaikeampaa mitata mustan aukon toinen perusparametri, sen kehruu.
"Itse asiassa tähän vuoteen saakka ei ollut luotettavaa arviota mustan aukon spinistä", Narayan sanoo.
Musta reiän painovoima on niin vahva, että mustan aukon pyöriessä se vetää ympäröivää tilaa pitkin. Tämän kehrävän reiän reunaa kutsutaan tapahtumahorisontiksi. Kaikki tapahtumahorisontin ylittävä materiaali vedetään mustaan reikään.
"Mitattu mustan aukon spin-taajuus on nopeus, jolla avaruus-aika pyörii tai sitä vetäytyy, suoraan mustan aukon tapahtumahorisontissa", Narayan sanoo.
Nopea musta reikä, GRS 1915, on massiivisin niistä 20 röntgenbinaarisesta mustasta aukosta, joista massat tunnetaan tällä hetkellä, painaen noin 14 kertaa enemmän kuin aurinko. Se on tunnettu ainutlaatuisista ominaisuuksista, kuten aineen suihkutuksen purkamisesta melkein valon nopeudella ja sen röntgensäteilyn nopeissa muutoksissa.
Muutaman viime vuosikymmenen aikana röntgenbinaarijärjestelmissä on löydetty kymmeniä mustia reikiä. Röntgenbinaari on järjestelmä, jossa kaksi esinettä kiertää toistensa ympäri, jolloin kaasu yhdestä - normaalista tähdestä kuten Auringosta - siirtyy tasaisesti toiseen - tässä tapauksessa musta aukko. Kaasu spiraalittuu mustaan reikään prosessi, jota kutsutaan lisäämistä. Kääntyessään se kuumenee miljooniin asteisiin ja säteilee röntgensäteitä. Ryhmä käytti mustan aukon lisäyslevyn röntgenspektriä määrittämään sen spin.
Tekniikka perustuu suhteellisuusteorian keskeiseen ennustamiseen: mustalle reikälle kerääntyvä kaasu säteilee vain tiettyyn säteen, joka sijaitsee mustan aukon ulkopuolella - tapahtumahorisontin ulkopuolella. Tämän säteen sisällä kaasu putoaa reikään liian nopeasti tuottamaan paljon säteilyä. Kriittinen säde riippuu mustan aukon kehräyksestä, joten tämän säteen mittaaminen antaa suoran hinnan spinistä. Mitä pienempi säde on, sitä kuumempaa levyltä säteilevät röntgensäteet. Röntgensäteiden lämpötila yhdistettynä röntgenvalon kirkkauteen antaa säteen, joka puolestaan antaa mustan aukon linkousnopeuden.
"On todella hienoa, että voimme mitata jotain tätä perustavaa laatua", sanoo Rebecca Shafee, joka on jatko-opiskelija Harvardin yliopiston fysiikan laitokselta. ”Menetelmämme on hyvin yksinkertainen ja helppo ymmärtää. Olemme todella onnekkaita, että meillä on tehokkaita röntgen observatorioita, kuten Rossi-röntgen-ajoitustutkija, avaruudessa ja teleskoopit maan päällä tarvittavien mittausten suorittamiseksi. ”
Ryhmän tulokset voivat auttaa etsimään gammasäteilypurskeiden syytä, joka voi olla hetkeksi maailmankaikkeuden kirkkain salama. Teoreettinen astrofysiikko Stan Woosley Kalifornian yliopistosta, Santa Cruz, on mallinnut gammasäteilypurskeita massiivisen tähden romahtamisen perusteella. Nämä mallit riippuvat kuitenkin mustien reikien olemassaolosta, joilla on erittäin korkea kehräys, mitä tähän mennessä ei ollut koskaan vahvistettu.
"Tämä on erittäin tärkeää", Woosley sanoo. "Minulla ei ollut aavistustakaan, että sellaisia mittauksia voitaisiin tehdä."
Lehdessä todetaan, että GRS 1915 ja kaksi muuta ryhmän tutkimaa mustaa reikää syntyivät korkeilla kierroksillaan. Toisin sanoen alkuperäisen massiivisen tähden romahtava ydin kaatoi kulmaisen momenttinsa alas mustaan reikään.
"Siitä lähtien kun yhteisö on keksinyt monta vuotta sitten, kuinka mitata mustan aukon massa, spinin mittaus on ollut tämän alan pyhä graali", sanoo McClintock. ”GRS 1915: ssä käyttämäämme tekniikkaa voidaan soveltaa moniin muihin mustan aukon röntgenbinaareihin. Emme voi odottaa nähdäksesi mitä löydämme! '”
"Yksi toiveistamme on, että muut ryhmät tutkivat tutkimastamme mustia aukkoja koskevia järjestelmiä myös suosikki menetelmillään spinin mittaamiseksi", Narayan sanoo. "Kun näitä muita menetelmiä kehitetään edelleen ja niistä tulee entistä luotettavia, eri menetelmien tulosten ristivertailu olisi mielenkiintoisinta."
Alkuperäinen lähde: CfA: n lehdistötiedote
