Odkrycie w kosmosie

Czwartek, 23 maja 2024 (13:40)

Astronomowie po raz pierwszy zmierzyli prędkość rotacji supermasywnej czarnej dziury, obserwując „chybotanie” gwiezdnej materii. W badaniach – opublikowanych
w „Nature” – uczestniczyły polscy naukowcy.

W przełomowym badaniu opisanym w Nature (https://www.nature.com/articles/s41586-024-07433-w) brały udział prof. Bożena Czerny i prof. Agnieszka Janiuk
z Centrum Fizyki Teoretycznej Polskiej Akademii Nauk. Liderem międzynarodowego zespołu był dr Dheeraj „DJ” Pasham z MIT. Wyniki badań streszczono w informacji prasowej MIT i opracowanym na jej podstawie komunikacie CFT PAN.

Każda czarna dziura obraca się z pewną prędkością,
a prędkość tę można powiązać z pewnymi procesami
z jej historii. I tak właśnie duża prędkość rotowania czarnej dziury wiąże się np. z tym, że w przeszłości czarna dziura zyskiwała masę w wyniku akrecji – krótkich momentów,
w których do dziury spadała pewna ilość materii. Z kolei wolniejsze rotacje mogą świadczyć o tym, że czarna dziura powstała np. w wyniku połączenia się pary czarnych dziur.

Gdy czarna dziura wiruje, ciągnie za sobą otaczającą ją czasoprzestrzeń. Zwykle efekt ten nie byłby oczywisty w przypadku czarnych dziur, ponieważ te masywne obiekty nie emitują światła. Jednak światło pojawia się w pobliżu czarnej dziury choćby przy okazji tzw. rozerwania pływowego (ang. tidal disruption event, TDE).

Jeśli bowiem jakaś gwiazda znajdzie się zbyt blisko czarnej dziury, występują spore różnice w sile grawitacji działającej na różne części tego ciała niebieskiego. Tak zwana siła pływowa (może się ona kojarzyć z przypływami
i odpływami morza) rozrywa gwiazdę na kawałki,
a wydarzeniu temu towarzyszy emisja światła. Część materii gwiazdy jest rozrzucana w przestrzeń kosmiczną, podczas gdy druga część tworzy wokół czarnej dziury gorący dysk akrecyjny rotującej materii gwiezdnej.

Naukowcy przewidują, że podczas rozerwania pływowego gwiazda może spaść na czarną dziurę z dowolnego kierunku, generując dysk rozgrzanego do białości, rozdrobnionego materiału, który może być przechylony lub poruszać się niezgodnie z kierunkiem rotacji czarnej dziury. (Można sobie wyobrazić dysk akrecyjny jako przechylony torus obracający się wokół centralnej dziury, która ma swój własny, odrębny spin). Rotująca czarna dziura oddziałuje na rotujący dysk, dążąc do wyrównania ich rotacji
i powodując chwianie się dysku. Ostatecznie chybotanie to ustępuje, gdy dysk osiąga prędkość rotacji czarnej dziury. Naukowcy przewidzieli, że chwiejący się w związku ze zjawiskiem TDE dysk powinien być mierzalną sygnaturą rotacji czarnej dziury.

Autorzy nowej publikacji zaproponowali, że w takich przypadkach, jak rozerwanie pływowe, będzie można śledzić światło z gwiezdnych pozostałości, gdy są one przeciągane. A chybotanie się nowo utworzonego dysku akrecyjnego jest kluczem do określenia naturalnej rotacji centralnej czarnej dziury. Daje to nadzieję na zmierzenie prędkości obrotu czarnej dziury. A przez to również pozwoli lepiej poznać historię tych ciekawych obiektów.

„W badaniu opublikowanym w czasopiśmie »Nature«, astronomowie donoszą, że zmierzyli rotację pobliskiej supermasywnej czarnej dziury poprzez śledzenie niemal regularnych rozbłysków rentgenowskich, jakie wystąpiły
po zjawisku rozerwania pływowego. Zespół śledził błyski
przez kilka miesięcy, zebrał materiał obserwacyjny –
nie tylko w zakresie rentgenowskim – i ustalił, że błyski najprawdopodobniej pochodzą z dysku akrecyjnego, kolebiącego się w wyniku zaburzania przez rotację czarnej dziury. Rotacja czarnej dziury miała zatem bezpośredni wpływ na obserwowane rozbłyski i stąd można było pokazać, że czarna dziura obracała się z prędkością mniejszą niż 25 procent prędkości światła – stosunkowo wolno jak na czarne dziury” – czytamy w komunikacie MIT.

Profesor Janiuk i prof. Czerny współpracowały przy analizie konkurencyjnych modeli wyjaśnienia zjawiska. „Mój udział w tej pracy – tłumaczy PAP prof. Janiuk – polegał na udostępnieniu kodu komputerowego GLADIS, którego jestem autorką, służącego do modelowania globalnych niestabilności termicznych dysku akrecyjnego”.
W konfrontacji z danymi te modele okazały się jednak mniej zadowalające, potwierdzając w ten sposób główny wynik.

JG, PAP