Черните дупки огъват нашето разбиране за Вселената и законите на физиката. Докато черната дупка се върти, тя влачи околното пространство наоколо и дава възможност на астрономите да проучат някои прогнози на Айнщайн за относителността.
Наличието на черни дупки е може би най-увлекателното предсказване на Общата теория на относителността на Айнщайн. Когато някоя маса, като звезда, стане по-компактна от определена граница, нейната собствена гравитация става толкова силна, че обектът да се срути до една единствена точка, черна дупка. В народния ум този огромен гравитационен кладенец е място, където се случват странни неща. И сега екипът, ръководен от Центъра за астрофизика, измерва черна дупка на звездна маса, която се върти толкова бързо - завъртайки се повече от 950 пъти в секунда - че натиска предвиденото ограничение на скоростта за въртене.
„Бих казал, че този режим на гравитация е толкова далеч от прякото преживяване и познаване, колкото и самият субатомски свят“, казва астрономът на CfA Джефри Маклинток.
Прилагайки техника за измерване на въртене, разработена съвместно от McClintock и астрофизикът на CfA Рамеш Нараян, екипът използва сателитните данни на НАСА от Роси за рентгенови лъчи на Timing Explorer, за да предостави най-прякото определяне досега на завъртането на черната дупка.
Маклинток и Нараян ръководеха международна група, състояща се от Ребека Шафи, катедра по физика на Харвардския университет; Роналд Ремилард, Център за астрофизика и космически изследвания в Кавли, MIT; Шейн Дейвис, Калифорнийския университет, Санта Барбара и Ли-Син Ли, Институт за астрофизика Макс-Планк, Германия, в това изследване. Резултатите са публикувани в днешния брой на Astrophysical Journal.
„Вече имаме точни стойности за скоростта на въртене на три черни дупки“, казва Макклинтак. „Най-вълнуващият е резултатът ни за микроквазара GRS1915 + 105, който има въртене, което е между 82% и 100% от теоретичната максимална стойност.“
„Този резултат има големи последици за обясняване как черните дупки излъчват струи, за моделиране на възможни източници на изблици на гама-лъчи и за откриване на гравитационни вълни“, казва теоретикът Нараян.
Защо астрономите се грижат за въртенето?
„В астрономията черната дупка е напълно описана само с две числа, които определят нейната маса и колко бързо се върти“, казва Макклинтак. "Ние не знаем нищо друго толкова просто, освен за фундаментална частица като електрон или кварк."
Въпреки че астрономите са успешни в измерването на масата на черната дупка, те намират за много по-трудно да измерят втория основен параметър на черна дупка, нейното въртене.
„Всъщност до тази година нямаше достоверна оценка на въртенето на никоя черна дупка“, казва Нараян.
Гравитацията на черната дупка е толкова силна, че докато черната дупка се върти, тя влачи околното пространство по нея. Краят на тази въртяща се дупка се нарича хоризонт на събитията. Всеки материал, пресичащ хоризонта на събитията, се изтегля в черната дупка.
„Честотата на въртене на черната дупка, която измервахме, е скоростта, с която се върти пространството и времето, или се влачи, точно в хоризонта на събитията на черната дупка“, казва Нараян.
Високоскоростната черна дупка, GRS 1915, е най-масивната от 20-те рентгенови двоични черни дупки, за които понастоящем са известни маси, тежащи около 14 пъти повече от Слънцето. Известно е с уникални свойства, като изхвърляне на струи на материята с почти скоростта на светлината и бързи колебания в нейната рентгенова емисия.
През последните няколко десетилетия са открити десетки черни дупки в рентгеновите двоични системи. Рентгеновата двоична система е система, при която два обекта обикалят около себе си, като газ от едната - нормална звезда като Слънцето - непрекъснато се прехвърля към другата - в случая черна дупка. Газовите спирали към черната дупка чрез процес, наречен нарастване. Докато се спира, той нагрява до милиони градуси и излъчва рентгенови лъчи. Екипът използва рентгеновия спектър на акреционния диск на черната дупка, за да определи нейното въртене.
Техниката се основава на ключово предсказване на теорията на относителността: газ, който се отделя върху черна дупка, се излъчва само до определен радиус, който се намира извън черната дупка - извън нейния хоризонт на събитията. В този радиус газта попада в дупката твърде бързо, за да произведе много радиация. Критичният радиус зависи от завъртането на черната дупка, така че измерването на този радиус осигурява директна оценка на въртенето. Колкото по-малък е радиусът, толкова по-горещи са рентгеновите лъчи, които се излъчват от диска. Температурата на рентгеновите лъчи, съчетана с яркостта на рентгеновите лъчи, дава радиуса, който от своя страна дава скоростта на въртене на черната дупка.
„Наистина е готино да можем да измерим нещо толкова фундаментално“, казва Ребека Шафи, която е аспирант в катедрата по физика в Харвардския университет. „Нашият метод е много прост в концепцията и лесен за разбиране. Наистина сме късметлии да имаме мощни рентгенови обсерватории като Роситовия рентгенов изследовател на времето в космоса и телескопи на Земята, за да извършим необходимите измервания. "
Търсенето на причината за избухванията на гама-лъчи, които за момент могат да бъдат най-ярката светкавица във Вселената, може да се подпомогнат от резултатите на екипа. Теоретичният астрофизик Стан Вузли от Калифорнийския университет в Санта Крус е моделирал гама-изблици въз основа на колапса на масивна звезда. Тези модели обаче зависят от наличието на черни дупки с много високо въртене, което досега никога не е било потвърдено.
„Това е изключително важно“, казва Вусли. „Нямах представа, че могат да се правят такива измервания.“
Докладът заключава, че GRS 1915 и другите две черни дупки, изследвани от екипа, са родени с високите си завъртания. Тоест, срутващото се ядро на оригиналната масивна звезда изля ъгловия си импулс надолу в черната дупка.
„Още откакто общността измисли преди много години как да измерва масата на черната дупка, измерването на въртене е свещеният граал в тази област“, казва Макклинтак. „Техниката, която използвахме в GRS 1915, може да се приложи към редица други рентгенови файлове с черна дупка. Нямаме търпение да видим какво откриваме! ""
„Една от нашите основни надежди е, че системите за черни дупки, които изучаваме, ще бъдат изучавани и от други групи, използвайки техните любими методи за измерване на спина“, казва Нараян. „След като тези други методи се развият допълнително и станат по-надеждни, кръстосаното сравнение на резултатите от различните методи би било най-интересно.“
Оригинален източник: CfA News Release
