Звездные обломки можно использовать для измерения вращения черных дыр
Астрономы разработали замечательный метод измерения вращения сверхмассивных черных дыр. Для этого ученые использовали хаотические последствия поглощения звезд черными дырами.
Этот новый подход проливает свет на неуловимые свойства черных дыр и прокладывает путь к будущим открытиям.
События приливного разрушения
Событие приливного разрушения (TDE) происходит, когда звезда приближается к черной дыре слишком близко, что приводит к ее насильственному разрушению. Огромные приливные силы черной дыры разрывают звезду на части, создавая из оставшегося звездного вещества интенсивно горячий аккреционный диск.
Этот аккреционный диск, состоящий из остатков звезды, вращается и колеблется под действием гравитации черной дыры.
Исследователи из Массачусетского технологического института в сотрудничестве с НАСА и другими учреждениями продемонстрировали, что это колебание диска имеет решающее значение для определения вращения черной дыры.
Исследование показало, что отслеживание рентгеновских вспышек, испускаемых диском сразу после события приливного разрушения, может дать представление о скорости вращения черной дыры.
Раскрытие вращения черной дыры
Исследовательская группа в течение нескольких месяцев наблюдала за рентгеновским излучением близлежащей сверхмассивной черной дыры, отмечая колебания, вызванные колебаниями аккреционного диска.
Проанализировав эволюцию колебаний, специалисты сделали вывод о вращении черной дыры. Результаты исследования показали, что черная дыра вращается со скоростью менее 25 процентов от скорости света, что является относительно низкой скоростью для черных дыр.
Ведущий автор исследования Дирадж Пашам (Dheeraj «DJ» Pasham) - сотрудник Института астрофизики и космических исследований имени Кавли Массачусетского технологического института.
«Изучив в ближайшие годы несколько систем с помощью этого метода, астрономы смогут оценить общее распределение спинов черных дыр и понять давний вопрос о том, как они эволюционируют со временем», - отметил Пашам.
Колеблющийся аккреционный диск
Черные дыры приобретают свое вращение в результате космических столкновений с течением времени. Аккреция, когда материал падает на диск черной дыры, может значительно увеличить ее вращение. И наоборот, слияния с другими черными дырами могут замедлить ее вращение, поскольку спины сливающихся образований противодействуют друг другу.
Когда черная дыра вращается, она тянет за собой окружающее пространство-время - это явление известно как прецессия Ленса-Тирринга.
Во время приливного разрушения обломки звезды образуют вокруг черной дыры наклонный, смещенный аккреционный диск. Диск колеблется, когда вращение черной дыры выравнивает его.
Ученые предсказали, что это колебание может служить измеримым признаком вращения черной дыры. Однако получение правильных наблюдений было крайне важно.
Охота за событиями, связанными с приливными нарушениями
Пэшем и его команда провели пять лет в поисках ярких, близких TDE, пригодных для детального изучения.
В феврале 2020 года они обнаружили AT2020ocn - яркую вспышку в галактике, расположенной на расстоянии около миллиарда световых лет от нас. Это событие, первоначально замеченное Центром переходных процессов Цвикки в оптическом диапазоне, оказалось перспективным для отслеживания колебаний диска и измерения вращения черной дыры.
«Нам нужны были быстрые и качественные данные», - говорит Пэшем. «Главное было поймать это на ранней стадии, потому что прецессия, или колебание, должна присутствовать только на ранней стадии. Если бы это произошло позже, диск перестал бы колебаться».
Телескоп НАСА NICER, расположенный на Международной космической станции, обеспечил необходимые непрерывные наблюдения.
NICER, предназначенный для измерения рентгеновского излучения вокруг черных дыр и других экстремальных гравитационных объектов, следил за AT2020ocn в течение 200 дней после события приливного разрушения.
Полученные данные позволили обнаружить рентгеновские пики каждые 15 дней, что соответствует колебаниям аккреционного диска, излучающего рентгеновские лучи прямо в сторону телескопа.
Расшифровка вращения черных дыр
Исследовательская группа включила эти наблюдения в теорию прецессии Ленса-Тирринга, оценив вращение черной дыры на основе массы черной дыры и разрушенной звезды.
Анализ подтвердил, что черная дыра вращается со скоростью менее 25 процентов от скорости света, что стало первым случаем использования этого метода для оценки вращения черной дыры.
Заглядывая в будущее, Пэшем ожидает, что с появлением новых телескопов, таких как обсерватория Рубина, появится больше возможностей для измерения вращения черных дыр.
«Вращение сверхмассивной черной дыры говорит об истории этой черной дыры», - говорит Пэшем. «Даже если небольшая часть из тех, что запечатлеет Рубин, будет иметь подобный сигнал, у нас теперь есть возможность измерить спин сотен TDE. Тогда мы сможем сделать важное заявление о том, как черные дыры эволюционируют с возрастом Вселенной».
Исследование опубликовано в журнале Nature.
