Čierne diery ohýbajú naše chápanie vesmíru a fyzikálnych zákonov. Keď sa čierna diera otáča, priťahuje okolitý priestor okolo seba a dáva astronómom príležitosť študovať niektoré Einsteinove predpovede o relativite.
Existencia čiernych dier je pravdepodobne najzaujímavejšou predikciou Einsteinovej všeobecnej teórie relativity. Keď sa akákoľvek hmota, napríklad hviezda, stane kompaktnejšou ako určitá hranica, jej vlastná gravitácia sa stane tak silnou, že sa objekt zrúti do jedinečného bodu, do čiernej diery. V ľudskej mysli je táto obrovská gravitačná studňa miestom, kde sa odohrávajú zvláštne veci. A teraz tím pre astrofyziku vedený tím zmeral rotáciu čiernej diery hviezdicovej hmoty tak rýchlo, že sa otáčal viac ako 950 krát za sekundu, takže posunul predpokladanú rýchlostnú hranicu pre rotáciu.
„Povedal by som, že tento gravitačný režim nie je ani zďaleka priamym zážitkom a nepozná sa ako samotný subatomický svet,“ hovorí astronóm CfA Jeffrey McClintock.
Tím použil techniku na meranie spinov, ktorú vyvinuli spoločne McClintock a CfA astrofyzik Ramesh Narayan, tím použil satelitné údaje Rossi X-ray Timing Explorer od NASA, aby poskytol čo najpriamejšie určenie rotácie čiernych dier.
McClintock a Narayan viedli medzinárodnú skupinu pozostávajúcu z Rebeccy Shafee, Katedry fyziky na Harvardskej univerzite; Ronald Remillard, Kavli Centrum pre astrofyziku a vesmírny výskum, MIT; Shane Davis, Kalifornská univerzita, Santa Barbara a Li-Xin Li, Max-Planckov inštitút pre astrofyziku v Nemecku. Výsledky sú publikované v dnešnom vydaní časopisu Astrofyzical Journal.
„Teraz máme presné hodnoty rýchlosti odstreďovania troch čiernych dier,“ hovorí McClintock. „Najzaujímavejší je náš výsledok pre mikrokazar GRS1915 + 105, ktorý má rotáciu, ktorá je medzi 82% a 100% teoretickej maximálnej hodnoty.“
„Tento výsledok má hlavné dôsledky na vysvetlenie toho, ako čierne diery emitujú prúdy, na modelovanie možných zdrojov výbuchov gama žiarenia a na detekciu gravitačných vĺn,“ hovorí teoretik Narayan.
Prečo sa astronómovia zaujímajú o točenie?
„V astronómii je čierna diera úplne opísaná iba dvoma číslami, ktoré určujú jej hmotnosť a rýchlosť otáčania,“ hovorí McClintock. "O ničom inom tak jednoduchom nevieme, s výnimkou základnej častice, ako je elektrón alebo kvark."
Hoci astronómovia boli úspešní pri meraní hmotnosti čiernych dier, zistili, že je oveľa ťažšie zmerať druhý základný parameter čiernej diery, jej rotáciu.
"Až do tohto roku neexistoval žiadny dôveryhodný odhad rotácie akejkoľvek čiernej diery," hovorí Narayan.
Gravitácia čiernej diery je taká silná, že keď sa čierna diera točí, tiahne okolitý priestor pozdĺž. Okraj tejto rotujúcej diery sa nazýva horizont udalostí. Akýkoľvek materiál prechádzajúci horizontom udalosti sa vtiahne do čiernej diery.
"Frekvencia odstreďovania čiernych dier, ktorú sme zmerali, je rýchlosť, akou sa časopriestor otáča alebo sa ťahá priamo na horizonte udalostí čiernej diery," hovorí Narayan.
Vysokorýchlostná čierna diera, GRS 1915, je najmasívnejšia z 20 röntgenových binárnych čiernych dier, pre ktoré sú v súčasnosti známe hmotnosti, vážiace asi 14-krát viac ako Slnko. Je dobre známy pre jedinečné vlastnosti, ako je vyhadzovanie trysiek pri takmer rýchlosti svetla a rýchle variácie v jeho röntgenovej emisii.
V posledných niekoľkých desaťročiach sa v röntgenových binárnych systémoch objavili desiatky čiernych dier. Röntgenový binárny systém je systém, v ktorom dva objekty obiehajú okolo seba, pričom plyn z jedného - normálna hviezda ako Slnko - sa neustále prenáša na druhý - v tomto prípade čierna diera. Plynové špirály do čiernej diery pomocou procesu nazývaného narastanie. Počas špirály sa zahrieva až do miliónov stupňov a vyžaruje röntgenové lúče. Tím použil röntgenové spektrum akréčného disku čiernej diery na určenie jeho rotácie.
Táto technika je založená na kľúčovej predikcii teórie relativity: plyn, ktorý narastá na čiernu dieru, vyžaruje iba do určitého polomeru, ktorý leží mimo čiernej diery - mimo jej horizont udalostí. Vo vnútri tohto polomeru plyn padá príliš rýchlo do diery, aby produkoval veľké množstvo žiarenia. Kritický polomer závisí od otáčania čiernej diery, takže meranie tohto polomeru poskytuje priamy odhad otáčania. Čím menší je polomer, tým sú horúce röntgenové lúče, ktoré sú emitované z disku. Teplota röntgenových lúčov spojená s jasom röntgenového žiarenia dáva polomer, ktorý zase dáva rýchlosť rotácie čiernej diery.
„Je skutočne skvelé dokázať zmerať niečo také zásadné,“ hovorí Rebecca Shafee, ktorá je absolventkou Katedry fyziky na Harvardskej univerzite. „Naša metóda je veľmi jednoduchá a ľahko pochopiteľná. Máme veľké šťastie, že máme k dispozícii výkonné röntgenové observatóriá, ako je Rossiho röntgenový prieskumník časovania v kozmickom priestore a ďalekohľady na Zemi, aby sme mohli vykonávať potrebné merania. “
Výsledky tímu môžu pomôcť pri hľadaní príčiny výbuchov gama žiarenia, ktoré môžu byť na chvíľu najjasnejším bleskom vo vesmíre. Teoretický astrofyzik Stan Woosley z kalifornskej univerzity v Santa Cruzu modeloval výbuchy gama lúčov na základe zrútenia veľkej hviezdy. Tieto modely však závisia od existencie čiernych dier s veľmi vysokou rotáciou, ktoré doteraz neboli nikdy potvrdené.
"To je nesmierne dôležité," hovorí Woosley. "Netušil som, že by sa také merania mohli vykonať."
V článku sa dospelo k záveru, že GRS 1915 a ďalšie dve čierne diery študované tímom sa narodili s vysokými otáčkami. To znamená, že zrútené jadro pôvodnej masívnej hviezdy nalialo svoj uhlový moment do čiernej diery.
„Od tej doby komunita už pred mnohými rokmi prišla na to, ako merať hmotnosť čiernych dier, bolo meranie spinov v tejto oblasti svätým grálom,“ hovorí McClintock. „Techniku, ktorú sme použili pri GRS 1915, je možné aplikovať na niekoľko ďalších rôntgenových binárnych súborov s čiernymi dierami. Nemôžeme sa dočkať, až uvidíme, čo nájdeme! '“
„Jednou z našich nadácií je, že systémy čiernych dier, ktoré študujeme, budú študovať aj iné skupiny pomocou svojich obľúbených metód merania spinov,“ hovorí Narayan. „Keď sa tieto ďalšie metódy ďalej rozvíjajú a stávajú sa spoľahlivejšími, bolo by najzaujímavejšie krížové porovnanie výsledkov z rôznych metód.“
Pôvodný zdroj: CfA News Release
