Teleskopy ujawniają szybką rotację czarnej dziury Drogi Mlecznej, która zakrzywia czasoprzestrzeń

Ilustracja artysty przedstawia przekrój supermasywnej czarnej dziury i otaczającej ją materii w centrum naszej galaktyki. Czarna kula w środku reprezentuje horyzont zdarzeń czarnej dziury, punkt bez powrotu, z którego nic, nawet światło, nie może uciec. Patrząc na obracającą się czarną dziurę z boku, jak pokazano na tej ilustracji, otaczająca ją czasoprzestrzeń ma kształt futbolu amerykańskiego. Żółto-pomarańczowa materia po obu stronach reprezentuje gaz wirujący wokół czarnej dziury. Materia ta nieuchronnie wpada do czarnej dziury i przekracza horyzont zdarzeń, gdy przyjmie kształt kulisty. Zatem obszar wewnątrz kształtu piłki nożnej, ale poza horyzontem zdarzeń, jest przedstawiany jako wnęka. Niebieskie kropki pokazują dżety wystrzelające z biegunów obracającej się czarnej dziury. Źródło zdjęcia: NASA/CXC/M.Weiss

• Nowe badanie może pomóc rozwiązać pytanie, jak szybko droga Mlecznaogromny Czarna dziura Kręci się.
• Czarna dziura, znana jako Sagittarius A* (Sgr A*), ma masę około 4 milionów mas Słońca.
• Używać NASAObserwatorium rentgenowskie Chandra NSF i Very Large Array NSF wykazały, że Sgr A* obraca się bardzo szybko.
• Ta duża rotacja zniekształca czasoprzestrzeń wokół Strzelca A*, więc wydaje się, że ma ona kształt futbolu amerykańskiego.

Ta ilustracja artystyczna przedstawia wyniki nowych badań supermasywnej czarnej dziury w centrum naszej galaktyki, zwanej Strzelcem A* (w skrócie Sgr A*). Odkrycie to wykazało, że Sagittarius A* obraca się tak szybko, że zniekształca czasoprzestrzeń – to znaczy czas i trzy wymiary przestrzeni – tak że może wyglądać bardziej jak piłka nożna.

Wyniki te uzyskano przy użyciu Obserwatorium Rentgenowskiego Chandra należącego do NASA i Bardzo Dużej Sieci (VLA) Karla J. Jansky'ego należącej do NSF. Zespół badaczy zastosował nową metodę Rentgen Oraz dane radiowe umożliwiające określenie szybkości rotacji Sgr A* na podstawie przepływu materii w kierunku czarnej dziury i od niej. Ustalili, że Strzelec A* obraca się z prędkością kątową wynoszącą około 60% maksymalnej możliwej wartości i momentem pędu wynoszącym około 90% maksymalnej możliwej wartości.

Czarne dziury mają dwie podstawowe właściwości: masę (ile ważą) i spin (jak szybko się obracają). Określenie którejkolwiek z tych wartości mówi naukowcom wiele o każdej czarnej dziurze i jej zachowaniu. W przeszłości astronomowie dokonali kilku innych szacunków prędkości obrotowej Strzelca A* przy użyciu różnych technik, a wyniki wahały się od całkowitego braku rotacji Strzelca A* do rotacji niemal z maksymalną szybkością.

Nowe badanie sugeruje, że Sagittarius A* w rzeczywistości obraca się bardzo szybko, zgniatając otaczającą go czasoprzestrzeń. Ilustracja przedstawia przekrój łuku A* i materiału krążącego wokół niego w dysku. Czarna kula w środku reprezentuje tak zwany horyzont zdarzeń czarnej dziury, punkt bez powrotu, z którego nic, nawet światło, nie może uciec.

Patrząc na obracającą się czarną dziurę z boku, jak pokazano na tej ilustracji, otaczająca ją czasoprzestrzeń ma kształt piłki nożnej. Im wyższa prędkość wirowania, tym bardziej płaska staje się piłka.

Żółto-pomarańczowy materiał po obu stronach przedstawia gaz wirujący wokół Strzelca A*. Materia ta nieuchronnie wpada do czarnej dziury i przekracza horyzont zdarzeń, gdy przyjmie kształt kulisty. Zatem obszar wewnątrz kształtu piłki nożnej, ale poza horyzontem zdarzeń, jest przedstawiany jako wnęka. Niebieskie kropki pokazują dżety wystrzelające z biegunów obracającej się czarnej dziury. Jeśli spojrzymy na czarną dziurę z góry, wzdłuż dyszy strumieniowej, odkryjemy, że czasoprzestrzeń jest okrągła.

Zdjęcie rentgenowskie Chandry Strzelca A* i okolic. Źródło: NASA/CXC/Uniwersytet. Z Wisconsin / Y. Bai i in.

Rotacja czarnej dziury może służyć jako ważne źródło energii. Supermasywne czarne dziury wytwarzają równoległe wypływy przypominające dżety, gdy pobierana jest ich energia spinowa, co wymaga przynajmniej pewnej ilości materii w sąsiedztwie czarnej dziury. Ze względu na ograniczone paliwo wokół Sagittarius A*, przez ostatnie kilka tysięcy lat ta czarna dziura była stosunkowo spokojna i posiadała stosunkowo słabe dżety. Jednak ta praca pokazuje, że może się to zmienić, jeśli ilość materiału w pobliżu Sgr A* wzrośnie.

Aby określić spin czarnej dziury*, autorzy zastosowali technikę opartą na eksperymentach, zwaną „metodą wypływu”, która szczegółowo opisuje związek między spinem i masą czarnej dziury, właściwościami materii w pobliżu czarnej dziury oraz właściwościami odpływ. Równoległy przepływ na zewnątrz wytwarza fale radiowe, podczas gdy dysk gazu otaczający czarną dziurę jest odpowiedzialny za emisję promieni rentgenowskich. Korzystając z tej metody, badacze połączyli dane z Chandry i VLA z niezależnymi szacunkami masy czarnej dziury z innych teleskopów, aby ograniczyć rotację czarnej dziury.

Artykuł opisujący te ustalenia, napisany pod kierunkiem Ruth Daly (Pennsylvania State University), został opublikowany w styczniowym numerze czasopisma z 2024 r. Miesięczne powiadomienia Królewskiego Towarzystwa Astronomicznego.

Odniesienie: „Nowe wartości spinu czarnej dziury dla Strzelca A* uzyskane metodą odpływu” autorstwa Ruth A Daly, Megan Donahue, Christophera P O'Dea, Biny Sebastian, Daryl Haggard i Anan Lu, 21 października 2023 r., Miesięczne powiadomienia Królewskiego Towarzystwa Astronomicznego.
doi: 10.1093/mnras/stad3228

Inni autorzy to Penny Sebastian (Uniwersytet w Manitobie, Kanada), Megan Donahue (Uniwersytet Stanowy Michigan), Christopher O'Dea (Uniwersytet w Manitobie), Darrell Haggard (Uniwersytet McGill) i Anan Lu (Uniwersytet McGill).

Centrum Lotów Kosmicznych im. Marshalla zarządza programem Chandra. Centrum rentgenowskie Chandra w Obserwatorium Smithsonian Astrophysical Observatory kontroluje operacje naukowe z Cambridge w stanie Massachusetts oraz operacje lotnicze z Burlington w stanie Massachusetts.