Panie Profesor, Bożena Czerny i Agnieszka Janiuk, z Centrum Fizyki Teoretycznej Polskiej Akademii Nauk brały udział w przełomowym badaniu opublikowanym właśnie w renomowanym czasopiśmie Nature (https://www.nature.com/articles/s41586-024-07433-w ).

Liderem projektu był dr Dheeraj „DJ” Pasham z MIT (ang. Massachusetts Institute of Technology), a w skład 11-osobowego zespołu weszli także naukowcy m.in. z NASA (ang. National Aeronautics and Space Administration), ESO (ang. European Southern Observatory), Uniwersytetu Masaryka w Czechach, Uniwersytetu w Leeds, Uniwersytetu w Syracuse, czy Uniwersytetu w Tel Awiwie.

Zespół opracował  nowy sposób pomiaru prędkości rotacji czarnej dziury, wykorzystując „chyboczące” (ang. wobbling) pozostałości materiału gwiezdnego.

Jennifer Chu (MIT) w artykule pt. „Using wobbling stellar material, astronomers measure the spin of a supermassive black hole for the first time. The results offer a new way to probe supermassive black holes and their evolution across the universe.” (https://news.mit.edu/2024/using-wobbling-stellar-material-astronomers-measure-supermassive-black-hole-spin-0522) w taki sposób opisuje te przełomowe badania:

„Metoda wykorzystuje zjawisko „rozerwania pływowego” (ang. tidal disruption event, TDE), które sprawia, że następuje bardzo jasny moment, kiedy pływy wywołane przez czarną dziurę i oddziałujące na zbliżającą się gwiazdę, powodują rozerwanie jej na strzępy. Gdy gwiazda zostaje rozbita przez ogromne siły pływowe, połowa jej materii zostaje rozrzucona w przestrzeń, podczas gdy druga połowa ląduje wokół czarnej dziury, generując gorący dysk akrecyjny rotującej materii gwiezdnej.  Chybotanie się nowo utworzonego dysku akrecyjnego jest kluczem do określenia naturalnej rotacji centralnej czarnej dziury.”

„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.”

Profesor A. Janiuk i Prof. B. Czerny współpracowały przy analizie konkurencyjnych modeli wyjaśnienia zjawiska, które w konfrontacji z danymi okazały się jednak mniej zadowalające, potwierdzając w ten sposób główny wynik.

„Główny autor badań, dr Dheeraj „DJ” Pasham z MIT, tłumaczy, że nowa metoda może zostać wykorzystana do pomiaru rotacji setek czarnych dziur w lokalnym Wszechświecie w nadchodzących latach. Jeśli naukowcy będą w stanie zbadać wiele pobliskich czarnych dziur, zrozumieją, w jaki sposób ewoluowały one w historii Wszechświata.

„Badając w nadchodzących latach kilka układów za pomocą opisanej metody, astronomowie będą mogli oszacować ogólny rozkład prędkości rotacji czarnych dziur i rozwikłać wieloletnią zagadkę – w jaki sposób ewoluują one w czasie.” – mówi dr Pasham, który jest pracownikiem Kavli Institute for Astrophysics and Space Research w MIT.

“Rozdrobnione” ciepło

Każda czarna dziura ma nieodłączny spin (tzn. rotuje), na który miała wpływ jej historia. Jeśli na przykład czarna dziura rozrosła się głównie w wyniku akrecji – krótkich momentów, w których pewna ilość materiału spada na dysk, to w konsekwencji przyspieszała, osiągając dość dużą prędkość rotacji. Jeśli natomiast czarna dziura rośnie głównie poprzez łączenie się z innymi czarnymi dziurami, każda taka fuzja może powodować spowolnienie rotacji.

Gdy czarna dziura wiruje, ciągnie za sobą otaczającą ją czasoprzestrzeń. Takie przeciąganie jest przykładem efektu Lensego-Thirringa, opisanego wieloletnią już teorią mówiącą, jak ekstremalnie silne pola grawitacyjne, takie jak te generowane przez czarną dziurę, mogą przeciągać otaczającą czasoprzestrzeń. Zwykle efekt ten nie byłby oczywisty w przypadku czarnych dziur, ponieważ te masywne obiekty nie emitują światła.

Jednak w ostatnich latach fizycy zaproponowali, że w przypadkach takich jak rozerwanie pływowe (TDE), naukowcy mogą mieć szansę na śledzenie światła z gwiezdnych pozostałości, gdy są one przeciągane. Daje to nadzieję na zmierzenie prędkości obrotu czarnej dziury.

W szczególności, naukowcy przewidują, że podczas zjawiska TDE 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. (Wyobraźmy sobie dysk akrecyjny jako przechylony donut[1] 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.

„Kluczem były jednak odpowiednie obserwacje” – mówi dr Pasham. „Jedynym sposobem, jakiego można tutaj użyć, jest obserwowanie teleskopem obiektu w sposób ciągły przez bardzo długi czas, dzięki czemu można badać różne skale czasowe, od minut do miesięcy”.

Przypadek z wysoką częstotliwością

Przez ostatnie pięć lat dr Pasham poszukiwał zjawisk rozerwania pływowego, które są wystarczająco jasne i wystarczająco bliskie, aby móc wystarczająco szybko zareagować i je zaobserwować, próbując znaleźć oznaki efektu Lensego-Thirringa. W lutym 2020 r. jemu i jego kolegom poszczęściło się – wykryli AT2020ocn, jasny rozbłysk pochodzący z galaktyki oddalonej o około miliard lat świetlnych, który początkowo został dostrzeżony w paśmie optycznym przez Zwicky Transient Facility.

Z danych optycznych wynikało, że błysk miał miejsce zaraz po wystąpieniu zjawiska TDE. W związku z tym, że błysk był zarówno jasny, jak i stosunkowo bliski, dr Pasham podejrzewał, że zjawisko TDE może być tutaj idealnym kandydatem do poszukiwania oznak chybotania się dysku i być może pomiaru tempa rotacji czarnej dziury w centrum galaktyki-gospodarza. Do tego jednak potrzebne byłoby znacznie więcej danych. „Potrzebowaliśmy danych zbieranych z dużą częstotliwością i szybko po wystąpieniu zjawiska” – mówi dr Pasham. „Kluczem było uchwycenie zjawiska na wczesnym etapie, ponieważ precesja lub chybotanie powinny być obecne tylko wtedy. Później dysk przestałby się chwiać”.

Zespół odkrył, że teleskop NICER NASA był w stanie wychwycić zjawisko TDE i stale obserwować je przez wiele miesięcy. NICER – skrót od Neutron star Interior Composition ExploreR, to teleskop rentgenowski na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, który mierzy promieniowanie rentgenowskie wokół czarnych dziur i innych ekstremalnych obiektów.

Dr Pasham i jego koledzy przeanalizowali obserwacje AT2020ocn prowadzone przez NICER przez 200 dni po początkowym wykryciu rozerwania pływowego. Odkryli, że zdarzenie emitowało promieniowanie rentgenowskie, które wydawało się osiągać maksimum co 15 dni, przez kilka cykli, zanim ostatecznie wygasło. Zinterpretowali te maksima jako momenty, w których dysk akrecyjny w wyniku zjawiska TDE chybotał się zwrócony w stronę obserwatora, emitując promieniowanie rentgenowskie bezpośrednio w kierunku teleskopu NICER, po czym efekt wygasał, kontynuując emisję promieniowania rentgenowskiego (podobnie jak machanie latarką w kierunku do i od obserwatora co 15 dni).

Naukowcy wykorzystali oryginalną teorię precesji Lensego-Thirringa do analizy opisanego wzoru chybotania. Opierając się na szacunkach masy czarnej dziury i rozerwanej gwiazdy, byli w stanie oszacować prędkość rotacji czarnej dziury – mniej niż 25 procent prędkości światła.

Jest to pierwszy raz, kiedy naukowcy wykorzystali obserwacje chwiejącego się dysku po rozerwaniu pływowym gwiazdy do oszacowania prędkości rotacji czarnej dziury. Dr Pasham przewiduje, że w nadchodzących latach będzie więcej możliwości określenia prędkości rotacji czarnych dziur wraz z pojawieniem się nowych teleskopów, takich jak Rubin Observatory.

„Rotacja supermasywnej czarnej dziury mówi o jej historii” – tłumaczy dr Pasham. „Nawet jeśli niewielki ułamek obiektów, które wychwyci Rubin Observatory, pokaże tego rodzaju sygnał, mamy teraz sposób na zmierzenie prędkości rotacji dla setek z nich. Moglibyśmy wtedy wyciągnąć ważny wniosek na temat ewolucji czarnych dziur na przestrzeni historii Wszechświata”.

Badania te były współfinansowane przez NASA i Europejską Agencję Kosmiczną.”

Animacja jest dostępna na YouTube: https://www.youtube.com/watch?v=4J1T1v-VGGI

Reprinted with permission of MIT News.https://news.mit.edu/2024/using-wobbling-stellar-material-astronomers-measure-supermassive-black-hole-spin-0522

---

[1]Pączek w kształcie torusa („oponki”)