Mustad augud muudavad meie arusaama universumist ja füüsikaseadustest. Musta augu keerutamisel lohistab see ümbritseva ruumi endaga ja annab astronoomidele võimaluse uurida mõnda Einsteini ennustust relatiivsusteooria kohta.
Mustade aukude olemasolu on ehk kõige põnevam ennustus Einsteini suhtelise suhte teooriale. Kui mõni mass, näiteks täht, muutub kompaktsemaks kui teatud piir, muutub tema enda gravitatsioon nii tugevaks, et objekt variseb ainsusesse, musta auku. Populaarses meelest on see tohutu gravitatsioonikaev koht, kus juhtuvad kummalised asjad. Ja nüüd on astrofüüsikakeskuse juhitud meeskond mõõtnud tähemassiga musta augu, mis pöörleb nii kiiresti - pöörates rohkem kui 950 korda sekundis -, et see surub pöörlemiseks ette ennustatud kiirusepiirangu.
"Ma ütleksin, et see gravitatsioonirežiim on otsestest kogemustest ja teadmistest sama kaugel kui subatomaatiline maailm ise," ütleb CfA astronoom Jeffrey McClintock.
Rakendades McClintocki ja CfA astrofüüsiku Ramesh Narayani poolt ühiselt välja töötatud keerutuse mõõtmise tehnikat, kasutas meeskond NASA Rossi röntgenikiirguse Timing Exploreri satelliidiandmeid, et saada kõige otsesem määratlus musta augu keerutamisest.
McClintock ja Narayan juhtisid rahvusvahelist gruppi, kuhu kuuluvad Rebecca Shafee, Harvardi ülikooli füüsikaosakond; Ronald Remillard, Kavli astrofüüsika ja kosmoseuuringute keskus, MIT; Selles uurimistöös osalesid Shane Davis, California ülikool, Santa Barbara, ja Li-Xin Li, Max-Plancki Astrofüüsika Instituut, Saksamaa. Tulemused avaldatakse ajalehe Astrophysical Journal numbris.
"Nüüd on meil täpsed väärtused kolme musta augu keerdumismäärade jaoks," ütleb McClintock. "Kõige põnevam on meie tulemus mikrokvasari GRS1915 + 105 puhul, mille spinn on vahemikus 82% kuni 100% teoreetilisest maksimaalsest väärtusest."
"Sellel tulemusel on suur mõju selgitades, kuidas mustad augud kiirgavad düüse, modelleerides võimalikke gammakiirguse purunemise allikaid ja tuvastades gravitatsioonilisi laineid," ütleb teoreetik Narayan.
Miks astronoomid hoolivad keerutamisest?
"Astronoomias kirjeldatakse musta auku täielikult kahe numbri abil, mis täpsustavad selle massi ja kiirust," ütleb McClintock. "Me ei tea muud kui seda lihtsat, välja arvatud põhiosakesed nagu elektron või kvark."
Ehkki astronoomid on olnud musta augu massi mõõtmisel edukad, on neil musta augu teise põhiparameetri, selle spinni, mõõtmine palju keerulisem.
"Tõepoolest, kuni selle aastani ei olnud usaldusväärseid hinnanguid ühegi musta augu keerdumise kohta," ütleb Narayan.
Musta augu gravitatsioon on nii tugev, et musta augu pöörlemisel tõmbab see ümbritsevat ruumi mööda. Selle keerleva augu serva nimetatakse sündmushorisondiks. Igasugune sündmushorisondi ületanud materjal tõmmatakse musta auku.
"Mõõdetud musta augu pöörlemissagedus on kiirus, millega ruumi-aeg keerleb või mida lohistatakse, otse musta augu sündmuse horisondi juures," ütleb Narayan.
Kiire must auk, GRS 1915, on kõige massiivsem 20-st röntgenkiirguse binaarsest mustast august, mille jaoks praegu massid teada on, kaaludes umbes 14 korda rohkem kui Päike. See on hästi teada selliste ainulaadsete omaduste poolest nagu ainejoa väljutamine peaaegu valguse kiirusel ja röntgenkiirguse kiirete muutuste korral.
Viimase paarikümne aasta jooksul on röntgenbinaarsüsteemides avastatud kümneid mustaid auke. Röntgenkiire kahend on süsteem, kus kaks objekti orbiidil tiirlevad üksteise ümber ja gaasi ühest - normaalsest tähest nagu Päikesest - kandub pidevalt teise - antud juhul musta auku. Gaas spiraalib musta augu külge protsessiga, mida nimetatakse akretsiooniks. Spiraalides soojeneb see kuni miljonini kraadini ja kiirgab röntgenkiirte. Meeskond kasutas musta augu akretsioonketta ketasröntgenispektrit, et määrata selle spinn.
Meetod põhineb relatiivsusteooria olulisel ennustamisel: mustale augule akumuleeruv gaas kiirgab ainult kindla raadiuni, mis asub väljaspool musta auku - väljaspool selle sündmuse horisonti. Selle raadiuse sees langeb gaas auku liiga kiiresti, et tekitada palju kiirgust. Kriitiline raadius sõltub musta augu keerutamisest, nii et selle raadiuse mõõtmine annab spinni otsese hinnangu. Mida väiksem raadius on, seda kuumemad on kettast kiirgavad röntgenkiired. Röntgenkiirte temperatuur koos röntgenkiirguse heledusega annab raadiuse, mis omakorda annab musta augu pöörlemiskiiruse.
"See on väga lahe, kui saan midagi selle põhialuse üle mõõta," ütleb Rebecca Shafee, kes on Harvardi ülikooli füüsikaosakonna magistrant. „Meie meetod on põhimõtteliselt väga lihtne ja kergesti mõistetav. Meil on tõesti vedanud, et meil on võimsad röntgenikiirguse vaatluskeskused, nagu näiteks Rossi röntgenikiirguse ajauurija, ja Maa peal olevad teleskoobid, et teha meile vajalikke mõõtmisi. ”
Meeskonna tulemused võivad aidata gammakiirguse purunemise põhjuse otsimist, mis võib hetkeks olla universumi eredaim välk. Teoreetiline astrofüüsik Stan Woosley California ülikoolist Santa Cruzis on modelleerinud gammakiirguspurskeid, tuginedes massiivse tähe kokkuvarisemisele. Need mudelid sõltuvad aga väga kõrge keerutusega mustade aukude olemasolust, mida seni polnud kunagi kinnitatud.
"See on äärmiselt oluline," ütleb Woosley. "Mul polnud aimugi, et selliseid mõõtmisi saaks teha."
Paberist järeldatakse, et GRS 1915 ja ülejäänud kaks musta auku, mida meeskond uuris, sündisid nende kõrgete keerutustega. See tähendab, et algse massiivse tähe varisev südamik valas oma nurkkiiruse musta auku.
"Kuna kogukond on aastaid tagasi välja mõelnud, kuidas mõõta musta augu massi, on spinni mõõtmine olnud sellel alal püha graal," ütleb McClintock. „Seda tehnikat, mida kasutasime GRS 1915-l, saab kasutada paljudes teistes musta augu röntgenikiirguse kahendfailides. Me ei saa oodata, kuni näeme, mida leiame! '”
"Üks meie lootus on, et mustade aukude süsteeme, mida me uurime, uurivad ka teised rühmad, kasutades nende lemmikmeetodeid keerutuse mõõtmiseks," ütleb Narayan. "Kui neid teisi meetodeid on edasi arendatud ja need on usaldusväärsemaks muutunud, oleks kõige huvitavam võrrelda erinevate meetodite tulemusi."
Algne allikas: CfA pressiteade
