Dwie nowe prace badawcze pozwalają nam zbliżyć się do przestrzeni w pobliżu horyzontu zdarzeń i stworzyć obrazy wydarzeń w regionie, w którym znajdują się stabilne orbity najbliżej czarnej dziury. Autorzy obu badań przyglądają się okresowym emisjom, które występują, gdy czarna materia zaczyna absorbować nową materię.
Same czarne dziury pochłaniają całe światło poza horyzontem zdarzeń, a przestrzeń poza horyzontem zdarzeń zwykle emituje takie światło w dużych ilościach. Wynika to z faktu, że materia wpadająca do czarnej dziury ma ogromny ładunek energetyczny. Traci moment obrotowy i zderza się z inną materią na orbicie wokół czarnej dziury. Tak więc, chociaż nie możemy bezpośrednio uzyskać obrazu czarnej dziury, możemy wyciągnąć pewne wnioski na temat jej właściwości, wykorzystując światło z otoczenia, które tworzy.
W tym tygodniu opublikowano dwie prace badawcze, które pozwalają nam zbliżyć się do przestrzeni w pobliżu horyzontu zdarzeń i stworzyć obrazy wydarzeń w regionie, w którym znajdują się stabilne orbity najbliżej czarnej dziury. Autorzy jednej z tych prac doszli do następującego wniosku: supermasywna czarna dziura obraca się tak szybko, że punkt na jej powierzchni porusza się z prędkością równą około połowie prędkości światła.
Echo poświaty
Autorzy obu badań przyglądają się okresowym emisjom, które występują, gdy czarna materia zaczyna absorbować nową materię. Substancja ta jest wprowadzana do dziury przez płaską strukturę wyśrodkowaną w czarnej dziurze. Ta struktura nazywana jest dyskiem akrecyjnym. Gdy pojawia się nowa materia, dysk nagrzewa się, rozjaśniając czarną dziurę. Z tego powodu w otaczającej przestrzeni zachodzą zmiany. Autorzy obu badań szukają odpowiedzi na pytanie, co te zmiany mogą nam powiedzieć o czarnej dziurze i otaczającej ją przestrzeni.
W jednym z tych artykułów uwaga naukowców skupia się na czarnej dziurze o masie gwiazdowej, która jest dziesięciokrotnie większa od masy Słońca. W odpowiedzi na dostanie się materii do wnętrza, jedna z tych gwiazd stworzyła przejściowe zdarzenie o nazwie MAXI J1820 + 070. Swoją nazwę zawdzięcza instrumentowi MAXI na ISS, który jest przeznaczony do prowadzenia obserwacji astronomicznych w zakresie rentgenowskim. Po odkryciu tego zdarzenia możliwe było przeprowadzenie nowych obserwacji za pomocą sprzętu ISS o nazwie NICER, który bada wewnętrzny skład gwiazd neutronowych. Sprzęt ten umożliwia bardzo szybkie pomiary promieni rentgenowskich emitowanych przez źródła astronomiczne, co pozwala na efektywne monitorowanie krótkotrwałych zmian w obiekcie.
W tym przypadku do analizy „echa świetlnego” wykorzystano instrument NICER. Chodzi o to, że oprócz dysku akrecyjnego, czarne dziury mają koronę, która jest bańką naładowanej energetycznie materii znajdującą się powyżej i poniżej płaszczyzny dysku. Ta sama korona emituje promienie rentgenowskie, które można wykryć za pomocą instrumentów. Ale te promieniowanie rentgenowskie również uderza w dysk akrecyjny, a niektóre z nich odbijają się w naszym kierunku. Takie lekkie echo może nam powiedzieć kilka szczegółów na temat dysku akrecyjnego.
Film promocyjny:
Rozwiązanie tajemnicy
W tym przypadku echo światła pomogło rozwiązać zagadkę. Zdjęcia wykonane z supergęstych czarnych dziur w centrum galaktyk wskazują, że dysk akrecyjny rozciągnął się wzdłuż najbliższej stabilnej orbity czarnej dziury. Jednak pomiary czarnych dziur o masach gwiazdowych wskazują, że krawędzie dysku akrecyjnego są znacznie dalej. Ponieważ właściwości fizyczne nie zmieniają się wraz z rozmiarem, pomiary te nieco zdziwiły naukowców.
Nowa analiza pokazuje, że promieniowanie rentgenowskie MAXI J1820 + 070 ma zarówno zmienne, jak i stałe właściwości. Stałe właściwości wskazują, że dysk akrecyjny tworzący echo w ogóle nie zmienia swojego położenia. A zmienne właściwości wskazują, że kiedy czarna dziura pochłania materię, jej korona staje się bardziej zwarta, a zatem źródło promieniowania rentgenowskiego zostaje przemieszczone. Szczegóły stałego sygnału wskazują, że dysk akrecyjny jest znacznie bliżej czarnej dziury. Dzięki temu nowe pomiary są w pełni zgodne z tym, co wiemy o supergęstych wersjach czarnych dziur.
Śmierć gwiazdy
Na supergęstym terytorium znajduje się obiekt ASASSN-14li, odkryty podczas automatycznej eksploracji supernowych. Obiekt ten miał właściwości, które są powszechnie spotykane podczas zdarzenia zwanego rozerwaniem pływowym. Podczas takiego zdarzenia czarna dziura siłą grawitacji rozrywa gwiazdę, która jest zbyt blisko niej. Jednak późniejsze obserwacje wykazały, że sygnał ten ma dość dziwną strukturę. Co 130 sekund przez krótki czas strzelał.
Sygnał ten nie różnił się zbytnio od tła, na którym nastąpiło zniszczenie gwiazdy, ale został wykryty przez trzy różne instrumenty, co wskazuje, że coś się okresowo dzieje. Najprostszym wyjaśnieniem jest to, że część gwiazdy znalazła się na orbicie wokół czarnej dziury. Częstotliwość takich orbit zależy od masy i prędkości obrotowej czarnej dziury, a także od odległości między czarną dziurą a krążącym wokół niej obiektem. Z innych względów obrót czarnej dziury jest trudny do zmierzenia, dlatego naukowcy wielokrotnie odtwarzają symulacje, testując różne konfiguracje systemu czarnych dziur.
Masę czarnej dziury określa się na podstawie wielkości galaktyki, w której się znajduje. Istnieje prosta zależność między prędkością obrotową a odległością orbity: im bliżej czarnej dziury znajduje się coś takiego, tym wolniej czarna dziura obraca się, tak że obiekt porusza się po orbicie z tą samą prędkością. W ten sposób, obliczając najbliższą możliwą orbitę, naukowcy byli w stanie określić minimalną wartość prędkości obrotowej.
Z przeprowadzonych obliczeń wynika, że czarna dziura obraca się przynajmniej z taką prędkością, że punkt na jej powierzchni porusza się z prędkością równą połowie prędkości światła. (Aby dać ci lepsze wyobrażenie, należy powiedzieć, że supergęste czarne dziury mogą być tak duże, że ich promień jest taki sam, jak promień orbity Saturna lub Neptuna). Jeśli materia krąży nieco dalej od centrum, to czarna dziura może również przyspiesza jego obrót.
Nie możemy jeszcze bezpośrednio uzyskać obrazów czarnych dziur, ale badania wykazały, że zachodzą w nich liczne zdarzenia, co może dostarczyć nam wielu danych na temat ich zachowania we Wszechświecie. A to pozwala nam wyciągnąć pewne wnioski na temat właściwości samych czarnych dziur, a także materii czekającej w skrzydłach, aby się do nich dostać. Zaczynamy również uzyskiwać informacje z obserwacji fal grawitacyjnych, które dają nam wyobrażenie o masie i rotacji zderzających się czarnych dziur. Zebrane razem, te dane usuwają aureolę ciemności z czarnych dziur i nie są już dla nas niezbadanym terytorium.
John Timmer