Οι μαύρες τρύπες λυγίζουν την κατανόησή μας για το Σύμπαν και τους νόμους της φυσικής. Καθώς η μαύρη τρύπα περιστρέφεται, σέρνει τον περιβάλλοντα χώρο γύρω του και δίνει στους αστρονόμους την ευκαιρία να μελετήσουν μερικές από τις προβλέψεις του Αϊνστάιν σχετικά με τη σχετικότητα.
Η ύπαρξη μαύρων οπών είναι ίσως η πιο συναρπαστική πρόβλεψη της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας του Αϊνστάιν. Όταν οποιαδήποτε μάζα, όπως ένα αστέρι, γίνεται πιο συμπαγής από ένα ορισμένο όριο, η δική της βαρύτητα γίνεται τόσο δυνατή που το αντικείμενο καταρρέει σε ένα μοναδικό σημείο, μια μαύρη τρύπα. Στο δημοφιλές μυαλό, αυτό το τεράστιο πηγάδι βαρύτητας είναι ένα μέρος όπου συμβαίνουν περίεργα πράγματα. Και τώρα, μια ομάδα με επικεφαλής το Κέντρο Αστροφυσικής έχει μετρήσει μια αστρική μάζα μαύρης τρύπας που περιστρέφεται τόσο γρήγορα - περιστρέφοντας πάνω από 950 φορές το δευτερόλεπτο - που ωθεί το προβλεπόμενο όριο ταχύτητας για περιστροφή.
«Θα έλεγα ότι αυτό το καθεστώς βαρύτητας απέχει πολύ από την άμεση εμπειρία και γνωρίζοντας τον ίδιο τον υποατομικό κόσμο», λέει ο αστρονόμος της CfA, Jeffrey McClintock.
Εφαρμόζοντας μια τεχνική για τη μέτρηση της περιστροφής που αναπτύχθηκε από κοινού από τους αστροφυσικούς McClintock και CfA Ramesh Narayan, η ομάδα χρησιμοποίησε τα δορυφορικά δεδομένα Rossi X-ray Timing Explorer της NASA για να παρέχει τον πιο άμεσο προσδιορισμό της περιστροφής των μαύρων οπών.
Οι McClintock και Narayan ηγήθηκαν ενός διεθνούς ομίλου που αποτελείται από την Rebecca Shafee, το Τμήμα Φυσικής του Πανεπιστημίου του Χάρβαρντ. Ronald Remillard, Kavli Center for Astrophysics and Space Research, MIT; Σε αυτήν την έρευνα, ο Shane Davis, το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας, η Santa Barbara και ο Li-Xin Li, Max-Planck Institute for Astrophysics, Γερμανία. Τα αποτελέσματα δημοσιεύονται στο τεύχος του Astrophysical Journal.
«Έχουμε τώρα ακριβείς τιμές για τα ποσοστά περιστροφής τριών μαύρων οπών», λέει ο McClintock. "Το πιο συναρπαστικό είναι το αποτέλεσμα μας για το microquasar GRS1915 + 105, το οποίο έχει ένα γύρισμα που κυμαίνεται μεταξύ 82% και 100% της θεωρητικής μέγιστης τιμής."
"Αυτό το αποτέλεσμα έχει σημαντικές συνέπειες για την εξήγηση του τρόπου με τον οποίο οι μαύρες τρύπες εκπέμπουν πίδακες, για τη μοντελοποίηση πιθανών πηγών εκρήξεων ακτίνων γάμμα και για την ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων", λέει ο θεωρητικός Narayan.
Γιατί ενδιαφέρονται οι αστρονόμοι για την περιστροφή;
«Στην αστρονομία, μια μαύρη τρύπα περιγράφεται πλήρως από δύο μόνο αριθμούς που καθορίζουν τη μάζα της και πόσο γρήγορα περιστρέφεται», λέει ο McClintock. «Δεν γνωρίζουμε τίποτα άλλο τόσο απλό, εκτός από ένα θεμελιώδες σωματίδιο όπως ένα ηλεκτρόνιο ή ένα κουάρκ».
Αν και οι αστρονόμοι ήταν επιτυχημένοι στη μέτρηση της μάζας των μαύρων οπών, δυσκολεύτηκαν πολύ να μετρήσουν τη δεύτερη θεμελιώδη παράμετρο μιας μαύρης τρύπας, την περιστροφή της.
«Πράγματι, μέχρι φέτος, δεν υπήρχε αξιόπιστη εκτίμηση της περιστροφής για οποιαδήποτε μαύρη τρύπα», λέει ο Narayan.
Η βαρύτητα μιας μαύρης τρύπας είναι τόσο ισχυρή που, καθώς περιστρέφεται η μαύρη τρύπα, σύρει τον περιβάλλοντα χώρο. Η άκρη αυτής της περιστρεφόμενης τρύπας ονομάζεται ορίζοντας γεγονότος. Κάθε υλικό που διασχίζει τον ορίζοντα του γεγονότος τραβιέται στη μαύρη τρύπα.
«Η συχνότητα περιστροφής της μαύρης τρύπας που μετρήσαμε είναι ο ρυθμός περιστροφής του χωροχρόνου ή σύρονται, ακριβώς στον ορίζοντα γεγονότων της μαύρης τρύπας», λέει ο Narayan.
Η υψηλής ταχύτητας μαύρη τρύπα, GRS 1915, είναι η πιο μαζική από τις 20 δυαδικές μαύρες τρύπες ακτίνων Χ για τις οποίες είναι σήμερα γνωστές οι μάζες, με βάρος 14 φορές περισσότερο από τον Ήλιο. Είναι γνωστό για μοναδικές ιδιότητες όπως εκτόξευση πίδακες ύλης σχεδόν στην ταχύτητα του φωτός και γρήγορες διακυμάνσεις στην εκπομπή ακτίνων Χ.
Τις τελευταίες δεκαετίες, ανακαλύφθηκαν δεκάδες μαύρες τρύπες σε δυαδικά συστήματα ακτίνων Χ. Ένα δυαδικό ακτίνων Χ είναι ένα σύστημα στο οποίο δύο αντικείμενα περιστρέφονται το ένα γύρω από το άλλο, με αέριο από το ένα - ένα κανονικό αστέρι όπως ο Ήλιος - να μεταφέρεται σταθερά στο άλλο - στην περίπτωση αυτή, μια μαύρη τρύπα. Το αέριο περιστρέφεται στη μαύρη τρύπα με μια διαδικασία που ονομάζεται αύξηση. Καθώς περιστρέφεται, θερμαίνει έως και εκατομμύρια μοίρες και ακτινοβολεί ακτίνες Χ. Η ομάδα χρησιμοποίησε το φάσμα ακτίνων Χ του δίσκου αύξησης της μαύρης τρύπας για να προσδιορίσει την περιστροφή του.
Η τεχνική βασίζεται σε μια βασική πρόβλεψη της θεωρίας της σχετικότητας: το αέριο που συσσωρεύεται σε μια μαύρη τρύπα ακτινοβολεί μόνο μέχρι μια συγκεκριμένη ακτίνα που βρίσκεται έξω από τη μαύρη τρύπα - έξω από τον ορίζοντα γεγονότος. Μέσα σε αυτήν την ακτίνα, το αέριο πέφτει πολύ γρήγορα στην τρύπα για να παράγει μεγάλη ακτινοβολία. Η κρίσιμη ακτίνα εξαρτάται από την περιστροφή της μαύρης τρύπας, οπότε η μέτρηση αυτής της ακτίνας παρέχει μια άμεση εκτίμηση της περιστροφής. Όσο μικρότερη είναι η ακτίνα, τόσο πιο ζεστές είναι οι ακτίνες Χ που εκπέμπονται από το δίσκο. Η θερμοκρασία των ακτίνων Χ, σε συνδυασμό με τη φωτεινότητα των ακτίνων Χ, δίνει την ακτίνα η οποία, με τη σειρά της, δίνει τον ρυθμό περιστροφής της μαύρης τρύπας.
«Είναι πολύ ωραίο να μπορείς να μετρήσεις κάτι τέτοιο θεμελιώδες», λέει η Rebecca Shafee, η οποία είναι απόφοιτος φοιτητής στο Τμήμα Φυσικής του Πανεπιστημίου του Χάρβαρντ. «Η μέθοδος μας είναι πολύ απλή στην έννοια και κατανοητή. Είμαστε πραγματικά τυχεροί που έχουμε ισχυρά παρατηρητήρια ακτίνων Χ, όπως το Rossi Xing ray Timing Explorer στο διάστημα και τα τηλεσκόπια στη Γη για να πραγματοποιήσουμε τις μετρήσεις που χρειαζόμαστε. "
Η αναζήτηση της αιτίας των εκρήξεων ακτίνων γάμμα, η οποία μπορεί, για μια στιγμή, να είναι το πιο φωτεινό φλας στο σύμπαν, μπορεί να βοηθηθεί από τα αποτελέσματα της ομάδας. Ο θεωρητικός αστροφυσικός Stan Woosley του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια, Santa Cruz, διαμόρφωσε τις εκρήξεις ακτίνων γάμμα με βάση την κατάρρευση ενός τεράστιου αστεριού. Αυτά τα μοντέλα, ωστόσο, εξαρτώνται από την ύπαρξη μαύρων οπών με πολύ υψηλή περιστροφή, η οποία μέχρι τώρα δεν είχε επιβεβαιωθεί ποτέ.
«Αυτό είναι εξαιρετικά σημαντικό», λέει ο Woosley. «Δεν είχα ιδέα ότι θα μπορούσαν να γίνουν τέτοιες μετρήσεις».
Το έγγραφο καταλήγει στο συμπέρασμα ότι το GRS 1915 και οι άλλες δύο μαύρες τρύπες που μελετήθηκαν από την ομάδα γεννήθηκαν με τις υψηλές περιστροφές τους. Δηλαδή, ο καταρρέων πυρήνας του αρχικού τεράστιου αστεριού έριξε τη γωνιακή ορμή του στη μαύρη τρύπα.
«Από τότε που η κοινότητα ανακάλυψε πριν από πολλά χρόνια πώς να μετρήσει τη μάζα των μαύρων τρυπών, η μέτρηση της περιστροφής ήταν το ιερό δισκοπότηρο σε αυτόν τον τομέα», λέει ο McClintock. «Η τεχνική που χρησιμοποιήσαμε στο GRS 1915 μπορεί να εφαρμοστεί σε πολλά άλλα δυαδικά ακτίνα Χ μαύρων οπών. Δεν μπορούμε να περιμένουμε να δούμε τι βρίσκουμε! »
«Μία από τις αγαπημένες μας ελπίδες είναι ότι τα συστήματα της μαύρης τρύπας που μελετάμε θα μελετηθούν και από άλλες ομάδες χρησιμοποιώντας τις αγαπημένες τους μεθόδους μέτρησης της περιστροφής», λέει ο Narayan. «Μόλις αυτές οι άλλες μέθοδοι αναπτυχθούν περαιτέρω και γίνουν πιο αξιόπιστες, η πολλαπλή σύγκριση των αποτελεσμάτων από τις διάφορες μεθόδους θα ήταν πιο ενδιαφέρουσα».
Αρχική πηγή: Δελτίο ειδήσεων CfA
