Sorte hull bøyer vår forståelse av universet og fysikkens lover. Når det sorte hullet snurrer, trekker det det omkringliggende rommet rundt seg, og gir astronomer en mulighet til å studere noen av Einsteins spådommer om relativitet.
Eksistensen av sorte hull er kanskje den mest fascinerende spådommen for Einsteins generelle relativitetsteori. Når en hvilken som helst masse, for eksempel en stjerne, blir mer kompakt enn en viss grense, blir dens egen tyngdekraft så sterk at gjenstanden kollapser til et entall punkt, et svart hull. I det populære sinnet er denne enorme tyngdekraften et sted hvor rare ting skjer. Og nå har et Center for Astrophysics-ledet team målt et svart hull i stjernemassen som snurret så raskt - snudd mer enn 950 ganger i sekundet - at det skyver den forutsagte hastighetsgrensen for rotasjon.
"Jeg vil si at dette tyngdekravet er like langt fra direkte erfaring og kunnskap som den subatomiske verdenen selv," sier CfA-astronom Jeffrey McClintock.
Ved å bruke en teknikk for å måle spinn utviklet i fellesskap av McClintock og CfA-astrofysiker Ramesh Narayan, brukte teamet NASAs Rossi X-ray Timing Explorer satellittdata for å gi den mest direkte bestemmelsen om svart hullspinn ennå.
McClintock og Narayan ledet en internasjonal gruppe bestående av Rebecca Shafee, Harvard University Physics Department; Ronald Remillard, Kavli Center for Astrophysics and Space Research, MIT; Shane Davis, University of California, Santa Barbara, og Li-Xin Li, Max-Planck Institute for Astrophysics, Tyskland, i denne forskningen. Resultatene blir publisert i dagens utgave av Astrophysical Journal.
"Vi har nå nøyaktige verdier for spinnhastigheten til tre sorte hull," sier McClintock. "Det mest spennende er resultatet for microquasar GRS1915 + 105, som har et spinn som er mellom 82% og 100% av den teoretiske maksimale verdien."
"Dette resultatet har store konsekvenser for å forklare hvordan sorte hull avgir stråler, for modellering av mulige kilder til gammastråle-utbrudd, og for påvisning av tyngdekraftsbølger," sier teoretiker Narayan.
Hvorfor bryr astronomer seg om spinn?
"I astronomi er et svart hull fullstendig beskrevet av bare to tall som spesifiserer dens masse og hvor raskt det roterer," sier McClintock. "Vi vet ikke noe annet så enkelt, bortsett fra en grunnleggende partikkel som et elektron eller en kvark."
Selv om astronomer har lyktes med å måle svart hullmasse, har de funnet det mye vanskeligere å måle den andre grunnleggende parameteren til et svart hull, dets spinn.
"Inntil i år var det ikke noe troverdig estimat for spinn for noe svart hull," sier Narayan.
Tyngdekraften til et svart hull er så sterk at det, når det sorte hullet snurrer, trekker det omkringliggende rommet langs. Kanten av dette spinnende hullet kalles hendelseshorisonten. Alt materiale som krysser hendelseshorisonten blir trukket inn i det sorte hullet.
"Svarthulls spinnfrekvensen vi målte er hastigheten som rom-tid snurrer, eller blir dratt, rett ved svarthullets hendelseshorisont," sier Narayan.
Det høye hastighetssorte hullet, GRS 1915, er det mest massive av de 20 svart-røntgen-binære sorte hullene som massene for tiden er kjent for, og veier omtrent 14 ganger så mye som solen. Det er velkjent for unike egenskaper som å skyve ut stoffstråler med nesten lysets hastighet og raske variasjoner i røntgenutslippet.
I løpet av de siste tiårene er dusinvis av sorte hull blitt oppdaget i røntgen-binære systemer. En binær røntgenstråle er et system der to objekter går i bane rundt hverandre, med gass fra den ene - en normal stjerne som solen - som overføres jevnlig til den andre - i dette tilfellet, et svart hull. Gassen spiraler ut på det sorte hullet ved en prosess som kalles akkresjon. Når det spiraler inn, varmer det opp til millioner av grader og utstråler røntgenstråler. Teamet brukte røntgenspektret på det sorte hullets akkresjonsdisk for å bestemme spinnet.
Teknikken er basert på en nøkkelprediksjon av relativitetsteorien: gass som fester seg til et svart hull stråler bare ned til en viss radius som ligger utenfor det svarte hullet - utenfor dens begivenhetshorisont. Inne i denne radien faller gassen for raskt i hullet til å produsere mye stråling. Den kritiske radius avhenger av svarthullspinnet, så måling av denne radius gir et direkte estimat av spinnet. Jo mindre radius er, jo varmere er røntgenstrålene som sendes ut fra disken. Temperaturen på røntgenstrålene, kombinert med røntgenlysstyrken, gir radien som igjen gir det sorte hullets spinnhastighet.
"Det er veldig kult å kunne måle noe så grunnleggende," sier Rebecca Shafee, som er utdannet ved Fysisk avdeling ved Harvard University. “Metoden vår er veldig enkel i konsept og lett å forstå. Vi er virkelig heldige som har kraftige røntgenobservatorier som Rossi X-ray Timing Explorer i verdensrommet og teleskoper på jorden for å utføre målingene vi trenger. ”
Letingen etter årsaken til gammastråle-utbrudd, som for øyeblikket kan være den lyseste blinken i universet, kan bli hjulpet av teamets resultater. Den teoretiske astrofysikeren Stan Woosley ved University of California, Santa Cruz, har modellert gammastråle-bursts basert på kollapsen av en massiv stjerne. Disse modellene er imidlertid avhengige av eksistensen av sorte hull med veldig høyt spinn, som til nå aldri hadde blitt bekreftet.
"Dette er ekstremt viktig," sier Woosley. "Jeg ante ikke at slike målinger kunne gjøres."
Oppgaven konkluderer med at GRS 1915 og de to andre sorte hullene som ble studert av teamet, ble født med høye spinn. Det vil si at den kollapsende kjernen til den opprinnelige massive stjernen øste sin vinkelmoment ned i det sorte hullet.
"Helt siden samfunnet fant ut for mange år siden hvordan man måler svart hullmasse, har måling av spinn vært den hellige gral på dette feltet," sier McClintock. “Teknikken vi brukte på GRS 1915 kan brukes på en rekke andre røntgen-binære sorte hull. Vi kan ikke vente med å se hva vi finner! '”
"Et av de gode håpene våre er at black hole-systemene vi studerer også skal studeres av andre grupper ved å bruke sine favorittmetoder for å måle spinn," sier Narayan. "Når disse andre metodene er videreutviklet og blitt mer pålitelige, vil sammenligning av resultater fra de forskjellige metodene være mest interessant."
Originalkilde: CfA News Release
