Чорні діри згинають наше розуміння Всесвіту та законів фізики. Коли чорна діра крутиться, вона перетягує навколишній простір навколо себе і дає астрономам можливість вивчити деякі прогнози Ейнштейна щодо відносності.
Наявність чорних дір, мабуть, найбільш захоплююче передбачення загальної теорії відносності Ейнштейна. Коли будь-яка маса, наприклад зірка, стає більш компактною, ніж певна межа, її власна сила тяжіння стає настільки сильною, що предмет руйнується до особливої точки, чорної діри. На думку людей, ця величезна гравітаційна криниця - це місце, де відбуваються дивні речі. І тепер команда Центру астрофізики виміряла чорну діру зоряної маси, яка крутилася так швидко - обертаючись більше 950 разів за секунду - що вона штовхає передбачувану межу швидкості обертання.
"Я б сказав, що цей режим гравітації настільки ж далекий від прямого досвіду та знання, як і сам субатомний світ", - каже астроном CfA Джеффрі МакКлінток.
Застосувавши методику вимірювання віджиму, розроблену спільно МакКлінток та астрофізиком CfA Рамешем Нараяном, команда використовувала супутникові дані рессі-рентгенівського обстеження Россі НАСА, щоб забезпечити найбільш безпосереднє визначення досі віджимання чорної діри.
МакКлінток та Нараян очолили міжнародну групу, що складалася з Ребекки Шафі, кафедри фізики Гарвардського університету; Рональд Ремільярд, Центр астрофізики та космічних досліджень Кавлі, MIT; Шейн Девіс, Каліфорнійський університет, Санта-Барбара та Лі-Сінь Лі, Інститут астрофізики Макса-Планка, Німеччина, в цьому дослідженні. Результати опубліковані в сьогоднішньому номері журналу Astrophysical Journal.
"Зараз у нас є точні значення для швидкості віджиму трьох чорних дір", - каже МакКлінток. "Найбільш хвилюючим є наш результат для мікроквазару GRS1915 + 105, який має віджимання від 82% до 100% від теоретичного максимального значення".
"Цей результат має великі наслідки для пояснення того, як чорні діри випромінюють струмені, для моделювання можливих джерел сплеску гамма-променів та для виявлення гравітаційних хвиль", - каже теоретик Нараян.
Чому астрономи піклуються про віджимання?
"В астрономії чорна діра повністю описується лише двома числами, які визначають її масу та те, як швидко вона обертається", - каже МакКлінток. "Ми не знаємо нічого іншого такого простого, окрім фундаментальної частинки, як електрон або кварк".
Хоча астрономи досягли успіху в вимірюванні маси чорної діри, їм було набагато складніше виміряти другий фундаментальний параметр чорної діри - її віджимання.
"Дійсно, до цього року не було достовірної оцінки обертання жодної чорної діри", - каже Нараян.
Гравітація чорної діри настільки сильна, що, як чорна діра крутиться, вона тягне навколишній простір уздовж. Край цього прядильного отвору називається горизонтом подій. Будь-який матеріал, що перетинає горизонт події, втягується в чорну діру.
"Частота обертання чорної діри, яку ми вимірювали, - це швидкість, з якою обертається простір-час або перетягується прямо на горизонті подій чорної діри", - говорить Нараян.
Швидкісна чорна діра, GRS 1915, є наймасовішою з 20 рентгенівських бінарних чорних дір, маса яких на сьогодні відома, вагою приблизно в 14 разів більше, ніж Сонце. Добре відомі унікальні властивості, такі як викидання струменів речовини майже зі швидкістю світла та швидкі зміни її рентгенівського випромінювання.
За останні кілька десятиліть у рентгенівських бінарних системах було виявлено десятки чорних дір. Рентгенівська двійкова система - це система, в якій два об'єкти орбітують навколо один одного, причому газ від однієї - нормальної зірки, як Сонце - невпинно передається іншій - у цьому випадку чорна діра. Газова спіраль на чорну діру відбувається процесом, який називається нарощенням. По мірі спіралі він нагрівається до мільйонів градусів і випромінює рентгенівські промені. Команда використовувала рентгенівський спектр акрекційного диска чорної діри, щоб визначити його віджимання.
Метод заснований на ключовому прогнозі теорії відносності: газ, який потрапляє на чорну діру, випромінюється лише до певного радіусу, який лежить поза чорною дірою - поза її горизонтом подій. Всередині цього радіуса газ надто швидко потрапляє в отвір, щоб виробляти багато випромінювання. Критичний радіус залежить від спіна чорної діри, тому вимірювання цього радіуса забезпечує пряму оцінку віджиму. Чим менший радіус, тим гарячіші рентгенівські промені, які випромінюються з диска. Температура рентгенівських променів у поєднанні з яскравістю рентгенівського випромінювання дає радіус, який, у свою чергу, дає швидкість віджиму чорної діри.
"Дуже здорово можна виміряти щось таке фундаментальне", - каже Ребекка Шафі, яка є аспіранткою кафедри фізики Гарвардського університету. «Наш метод поняття дуже простий і зрозумілий. Нам дуже пощастило мати потужні рентгенівські обсерваторії, такі як Россі рентгенівський провідник часу в космосі та телескопи на Землі, щоб здійснити необхідні нам вимірювання ».
Результати команди можуть допомогти пошуку причини сплеску гамма-випромінювання, яка може бути на мить найяскравішим спалахом у Всесвіті. Теоретичний астрофізик Стен Вуслі з Каліфорнійського університету, Санта-Крус, моделював вибухи гамма-променів на основі краху масивної зірки. Однак ці моделі залежать від існування чорних дір з дуже високим віджиманням, які досі ніколи не були підтверджені.
"Це надзвичайно важливо", - каже Вуслі. "Я не уявляв, що такі вимірювання можна зробити".
У статті робиться висновок, що GRS 1915 та інші дві чорні діри, які вивчала команда, народилися з високими крутями. Тобто руйнуюче ядро оригінальної масивної зірки вилило свій кутовий імпульс вниз у чорну діру.
"З тих пір, як громада багато років тому придумала, як виміряти масу чорних дір, вимірювальний спин був святим граалом у цій галузі", - каже МакКлінток. «Техніку, яку ми використовували в GRS 1915, можна застосувати до ряду інших бінарних рентгенівських даних білого кольору. Ми не можемо чекати, щоб побачити, що ми знайдемо! "
«Однією з наших прихильних сподівань є те, що системи чорних дір, які ми вивчаємо, також будуть вивчені іншими групами, використовуючи свої улюблені методи вимірювання спина», - говорить Нараян. "Після того, як ці інші методи будуть розвинуті далі та стануть більш надійними, перехресне порівняння результатів різних методів було б найцікавішим".
Оригінальне джерело: CfA News Release
