Crne rupe savijaju naše razumijevanje svemira i zakona fizike. Dok se crna rupa vrti, ona povlači okolni prostor oko sebe i daje astronomima priliku da prouče neka od Einsteinovih predviđanja o relativnosti.
Postojanje crnih rupa možda je najfascinantnije predviđanje Einsteinove Opće teorije relativnosti. Kad bilo koja masa, poput zvijezde, postane kompaktnija od određene granice, njezina vlastita gravitacija postaje toliko jaka da se objekt sruši na jedinstvenu točku, crnu rupu. U narodnom umu, ovaj ogromni gravitacijski bunar je mjesto na kojem se događaju neobične stvari. I sada je tim predvođen Centrom za astrofiziku izmjerio crnu rupu zvjezdaste mase koja se tako brzo vrti - okrećući se više od 950 puta u sekundi - da gura predviđenu granicu brzine za rotaciju.
"Rekao bih da je ovaj režim gravitacije toliko daleko od izravnog iskustva i spoznaje kao i sam subatomski svijet", kaže astronom CfA-e Jeffrey McClintock.
Primjenjujući tehniku za mjerenje centrifuge koju su zajedno razvili McClintock i astrofizičar CfA Ramesh Narayan, tim je koristio NASA-in Rossijev satelitski podataka X-ray Timing Explorera kako bi osigurao najdirektnije određivanje osipanja crnih rupa.
McClintock i Narayan vodili su međunarodnu skupinu koju čine Rebecca Shafee, odjel za fiziku Sveučilišta Harvard; Ronald Remillard, Centar za astrofiziku i svemirska istraživanja u Kavliju, MIT; Shane Davis, Sveučilište u Kaliforniji, Santa Barbara i Li-Xin Li, Max-Planck institut za astrofiziku, Njemačka, u ovom istraživanju. Rezultati su objavljeni u današnjem broju Astrofizičkog časopisa.
"Sada imamo točne vrijednosti za koeficijent trčanja u tri crne rupe", kaže McClintock. "Najuzbudljiviji je naš rezultat za mikrokvazar GRS1915 + 105, koji ima zavrtnju koja iznosi između 82% i 100% od teorijske maksimalne vrijednosti."
"Ovaj rezultat ima velike posljedice za objašnjenje kako crne rupe ispuštaju mlaznice, za modeliranje mogućih izvora gama-rafala i za otkrivanje gravitacijskih valova", kaže teoretičar Narayan.
Zašto astronomi brinu o spinu?
"U astronomiji, crnu rupu u potpunosti opisuju samo dva broja koja određuju njezinu masu i koliko se brzo vrti", kaže McClintock. "Mi ne znamo ništa drugo tako jednostavno, osim za fundamentalne čestice poput elektrona ili kvarka."
Iako su astronomi bili uspješni u mjerenju mase crne rupe, smatrali su da je mnogo teže izmjeriti drugi osnovni parametar crne rupe, njezino izvijanje.
"Doista, do ove godine nije postojala vjerodostojna procjena zaokreta ni za jednu crnu rupu", kaže Narayan.
Gravitacija crne rupe toliko je jaka da, dok se crna rupa vrti, povlači okolni prostor duž sebe. Rub ove rupe koji se vrti naziva se horizont događaja. Svaki materijal koji prelazi obzorje događaja uvučen je u crnu rupu.
"Frekvencija centrifuge crne rupe koju smo izmjerili je brzina kojom se prostor-vrijeme okreće ili se povlači pravo na horizont događaja crne rupe", kaže Narayan.
Crna rupa velike brzine, GRS 1915, najmasovnija je od 20 rendgenskih binarnih crnih rupa po kojima su trenutno poznate mase, teške oko 14 puta više od Sunca. Poznato je po jedinstvenim svojstvima kao što su izbacivanje mlaznica tvari gotovo brzinom svjetlosti i brze varijacije u njenoj rendgenskoj emisiji.
Tijekom posljednjih nekoliko desetljeća otkriveno je na desetke crnih rupa u binarnim sustavima rendgenskih zraka. Binarni snimak rendgenskih zraka je sustav u kojem dva predmeta kruže oko sebe, a plin iz jedne - normalne zvijezde poput Sunca - neprestano se prenosi u drugu - u ovom slučaju crnu rupu. Plin se spira na crnu rupu postupkom koji se naziva nakupljanje. Dok se spiralizira, zagrijava se do milijuna stupnjeva i zrači rendgenskim zracima. Tim je upotrijebio rendgenski spektar nakupljenog diska crne rupe da bi utvrdio njegovo spinovanje.
Tehnika se temelji na ključnom predviđanju teorije relativnosti: plin koji se luči na crnu rupu zrači samo do određenog radijusa koji leži izvan crne rupe - izvan njenog horizonta događaja. Unutar tog radijusa plin prebrzo pada u otvor kako bi proizveo puno zračenja. Kritični polumjer ovisi o vrtnji crne rupe, pa mjerenje tog polumjera daje izravnu procjenu vrtnje. Što je polumjer manji, to su toplije X-zrake koje se emitiraju s diska. Temperatura rendgenskih zraka u kombinaciji sa svjetlinom rendgenskih zraka daje polumjer koji zauzvrat daje brzinu vrtnje crne rupe.
„Stvarno je cool moći izmjeriti nešto tako temeljno“, kaže Rebecca Shafee, studentica poslijediplomske nastave na Katedri za fiziku na Sveučilištu Harvard. „Naša je metoda vrlo jednostavna u konceptu i lako razumljiva. Zaista imamo sreće da u svemiru i teleskopima na Zemlji imamo moćne rendgenske opservatoriju kao što je Rossijev X-ray Timing Explorer kako bismo obavili mjerenja koja su nam potrebna. "
Rezultati tima mogu pomoći u pronalaženju uzroka pucanja gama zraka, koji bi na trenutak mogli biti najsvjetliji bljesak u svemiru. Teoretski astrofizičar Stan Woosley sa kalifornijskog sveučilišta u Santa Cruzu modelirao je gama-zrake utemeljene na padu masivne zvijezde. Ti modeli, međutim, ovise o postojanju crnih rupa s vrlo visokim okretima, što do sada nikada nije potvrđeno.
"Ovo je izuzetno važno", kaže Woosley. "Nisam imao pojma da se takva mjerenja mogu izvršiti."
U radu je zaključeno da su GRS 1915 i ostale dvije crne rupe koje je proučavao tim rođeni s visokim spinovima. Odnosno, ruševina jezgre izvorne masivne zvijezde izlila je svoj kutni zamah dolje u crnu rupu.
"Otkad je zajednica prije mnogo godina osmislila kako izmjeriti masu crnih rupa, mjerni spin bio je sveti gral na ovom polju", kaže McClintock. „Tehnika koju smo koristili na GRS 1915 može se primijeniti na brojnim drugim binarnim uređajima za crne rupe. Jedva čekamo da vidimo šta ćemo pronaći! "
"Jedna od naših nada je da će sustave crne rupe koje proučavamo proučavati i druge skupine koristeći svoje omiljene metode mjerenja centrifuge", kaže Narayan. "Jednom kada se ove druge metode dalje razvijaju i postanu pouzdanije, unakrsna usporedba rezultata različitih metoda bila bi najzanimljivija."
Izvorni izvor: CfA News Release
