Astronomer mäter för första gången spinnet hos ett supermassivt svart hål med hjälp av vaggande stjärnmaterial

by Albert
Svart hål

Astronomer vid MIT, NASA och på andra håll har ett nytt sätt att mäta hur snabbt ett svart hål snurrar, genom att använda det vingliga efterspelet från dess stjärnfest.

Metoden utnyttjar ett svart håls tidvattenstörningshändelse – ett flammande ljust ögonblick när ett svart hål utövar tidvatten på en passerande stjärna och sliter den i stycken. När stjärnan störs av det svarta hålets enorma tidvattenkrafter blåser halva stjärnan bort, medan den andra halvan slungas runt det svarta hålet och genererar en intensivt het ackretionsskiva av roterande stjärnmaterial.

Det MIT-ledda teamet har visat att den nybildade ackretionsskivans vobblande är nyckeln till att räkna ut det centrala svarta hålets inneboende spinn.

I en studie som publiceras i Nature rapporterar astronomerna att de har mätt spinnet hos ett närliggande supermassivt svart hål genom att spåra mönstret av röntgenblixtar som det svarta hålet producerade omedelbart efter en tidvattenstörning.

Teamet följde blixtarna under flera månader och konstaterade att de sannolikt var en signal från en ljusstark ackretionsskiva som vickade fram och tillbaka när den knuffades och drogs av det svarta hålets eget spinn.

Genom att följa hur skivans vobblande förändrades över tid kunde forskarna räkna ut hur mycket skivan påverkades av det svarta hålets rotation, och i sin tur hur snabbt det svarta hålet självt snurrade. Deras analys visade att det svarta hålet snurrade med mindre än 25 procent av ljusets hastighet – vilket är relativt långsamt för att vara ett svart hål.

Studiens huvudförfattare, MIT-forskaren Dheeraj ”DJ” Pasham, säger att den nya metoden skulle kunna användas för att mäta snurren hos hundratals svarta hål i det lokala universum under de kommande åren. Om forskarna kan kartlägga snurren hos många närliggande svarta hål kan de börja förstå hur de gravitationella jättarna har utvecklats under universums historia.

”Genom att studera flera system under de kommande åren med den här metoden kan astronomer uppskatta den övergripande fördelningen av svarta håls spinn och förstå den långvariga frågan om hur de utvecklas över tid”, säger Pasham, som är medlem av MIT:s Kavli Institute for Astrophysics and Space Research.

Bland medförfattarna till studien finns medarbetare från ett antal institutioner, bland annat NASA, Masaryk University i Tjeckien, University of Leeds, University of Syracuse, Tel Aviv University och Polish Academy of Sciences.

Strimlad värme

Varje svart hål har en inneboende spinn som har formats av dess kosmiska möten över tid. Om ett svart hål till exempel har vuxit mestadels genom ackretion – korta tillfällen då material faller ner på skivan – får detta det svarta hålet att snurra upp till ganska höga hastigheter. Om ett svart hål däremot växer mest genom att smälta samman med andra svarta hål, kan varje sammanslagning göra att det går långsammare eftersom det ena svarta hålets spinn möter det andras spinn.

När ett svart hål snurrar drar det med sig den omgivande rumtiden. Denna dragningseffekt är ett exempel på Lense-Thirring-precession, en gammal teori som beskriver hur extremt starka gravitationsfält, som de som genereras av ett svart hål, kan dra i det omgivande rummet och tiden. Normalt sett skulle denna effekt inte vara uppenbar runt svarta hål, eftersom de massiva objekten inte avger något ljus.

Men under de senaste åren har fysiker föreslagit att forskare, i fall som under en tidvattenstörning, eller TDE, skulle kunna ha en chans att spåra ljuset från stjärnrester när de dras runt. Sedan kan de hoppas kunna mäta det svarta hålets spinn.

I synnerhet under en TDE förutspår forskare att en stjärna kan falla på ett svart hål från vilken riktning som helst, vilket genererar en skiva av vitglödgat, strimlat material som kan lutas, eller feljusteras, med avseende på det svarta hålets spinn. (Föreställ dig ackretionsskivan som en lutande munk som snurrar runt ett munkhål som har sitt eget, separata spinn).

När skivan stöter på det svarta hålets spinn vinglar den till när det svarta hålet drar den i rätt riktning. Så småningom avtar wobblandet när skivan lägger sig tillrätta i det svarta hålets spinn. Forskarna förutspådde att en TDE:s wobblande skiva därför borde vara en mätbar signatur för det svarta hålets spinn.

”Men nyckeln var att ha rätt observationer”, säger Pasham. ”Det enda sättet att göra det på är att så snart en tidvattenstörning inträffar skaffa ett teleskop som kan titta på objektet kontinuerligt under mycket lång tid, så att man kan undersöka alla möjliga tidsskalor, från minuter till månader.”

En fångst med hög kadence

Under de senaste fem åren har Pasham letat efter tidvattenstörningar som är tillräckligt ljusstarka och tillräckligt nära för att snabbt kunna följas upp och spåras efter tecken på Lense-Thirring-precession. I februari 2020 hade han och hans kollegor tur, då de upptäckte AT2020ocn, en ljusstark blixt från en galax cirka en miljard ljusår bort, som ursprungligen upptäcktes i det optiska bandet av Zwicky Transient Facility.

Av de optiska data som observerades verkade blixten vara de första ögonblicken efter en TDE. Eftersom TDE:n var både ljusstark och relativt nära misstänkte Pasham att den kunde vara den perfekta kandidaten för att leta efter tecken på skivvibrationer och eventuellt mäta det svarta hålets spinn i värdgalaxens centrum. Men för det skulle han behöva mycket mer data.

”Vi behövde snabba data med hög kadence”, säger Pasham. ”Nyckeln var att fånga detta tidigt eftersom denna precession, eller wobble, bara bör vara närvarande tidigt. Om det skedde senare skulle skivan inte längre wobbla.”

Teamet upptäckte att NASA:s NICER-teleskop kunde fånga upp TDE och kontinuerligt hålla ett öga på den under flera månader i taget. NICER – en förkortning för Neutron star Interior Composition Explore – är ett röntgenteleskop på den internationella rymdstationen som mäter röntgenstrålning runt svarta hål och andra extrema gravitationsobjekt.

Pasham och hans kollegor tittade igenom NICER:s observationer av AT2020ocn under 200 dagar efter den första upptäckten av tidvattenstörningen. De upptäckte att händelsen sände ut röntgenstrålar som verkade toppa var 15:e dag, under flera cykler, innan de så småningom försvann.

De tolkade topparna som tillfällen då TDE:s ackretionsskiva vobblade med ansiktet uppåt och sände ut röntgenstrålar direkt mot NICER:s teleskop, innan den vobblade bort medan den fortsatte att sända ut röntgenstrålar (ungefär som att vifta med en ficklampa mot och bort från någon var 15:e dag).

Forskarna tog detta mönster av wobbling och arbetade in det i den ursprungliga teorin för Lense-Thirring-precession. Baserat på uppskattningar av det svarta hålets massa och den störda stjärnans massa kunde de komma fram till en uppskattning av det svarta hålets spinn – mindre än 25 procent av ljusets hastighet.

Resultaten är första gången som forskare har använt observationer av en vinglande skiva efter en tidvattenstörning för att uppskatta ett svart håls spinn. I takt med att nya teleskop som Rubin Observatory tas i drift under de kommande åren förutser Pasham fler möjligheter att fastställa svarta håls spinn.

”Snurret hos ett supermassivt svart hål berättar om det svarta hålets historia”, säger Pasham. ”Även om en liten bråkdel av dem som Rubin fångar upp har den här typen av signal, har vi nu ett sätt att mäta spinnen hos hundratals TDE. Då skulle vi kunna göra ett stort uttalande om hur svarta hål utvecklas under universums ålder.”

Ytterligare information: Dheeraj Pasham, Lense–Thirring precession after a supermassive black hole disrupts a star, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07433-w. www.nature.com/articles/s41586-024-07433-w

Related Articles

Leave a Comment