Черные дыры определяются всего двумя простыми характеристиками: массой и вращением. В то время как астрономы уже давно могут очень эффективно измерять массы черных дыр, определить их спин было намного сложнее.
За последнее десятилетие астрономы разработали способы оценки спинов черных дыр на расстояниях, превышающих несколько миллиардов световых лет, то есть мы видим область вокруг черных дыр, какой они были миллиарды лет назад. Однако определение спинов этих удаленных черных дыр включает несколько этапов, которые зависят друг от друга.«Мы хотим иметь возможность вырезать, так сказать, среднего человека, определяющего вращение черных дыр во Вселенной», — сказал Рубенс Рейс из Мичиганского университета в Анн-Арборе, который возглавлял статью, описывающую этот результат, который был опубликовано онлайн в среду в журнале Nature.
Рейс и его коллеги определили вращение сверхмассивной черной дыры, которая втягивает окружающий газ, создавая чрезвычайно яркий квазар, известный как RX J1131-1231 (сокращенно RX J1131). Из-за случайного выравнивания искажение пространства-времени гравитационным полем гигантской эллиптической галактики вдоль луча зрения к квазару действует как гравитационная линза, которая увеличивает свет от квазара. Гравитационное линзирование, впервые предсказанное Эйнштейном, дает редкую возможность изучить самые внутренние области далеких квазаров, действуя как естественный телескоп и увеличивая свет от этих источников.«Благодаря этой гравитационной линзе мы смогли получить очень подробную информацию о спектре рентгеновских лучей, то есть количестве рентгеновских лучей, видимых при разных энергиях, от RX J1131», — сказал соавтор Марк Рейнольдс.
Мичигана. «Это, в свою очередь, позволило нам получить очень точное значение скорости вращения черной дыры».Рентгеновские лучи образуются, когда закрученный аккреционный диск из газа и пыли, окружающий черную дыру, создает многомиллионное облако или корону возле черной дыры. Рентгеновские лучи этой короны отражаются от внутреннего края аккреционного диска.
Сильные гравитационные силы около черной дыры изменяют спектр отраженного рентгеновского излучения. Чем больше изменение спектра, тем ближе внутренний край диска к черной дыре.«По нашим оценкам, рентгеновские лучи исходят из области диска, расположенной примерно в три раза больше радиуса горизонта событий, точки невозврата для падающего вещества», — сказал Джон М. Миллер из Мичигана, другой автор исследования. бумага. «Черная дыра должна вращаться чрезвычайно быстро, чтобы позволить диску выжить при таком маленьком радиусе».
Например, вращающаяся черная дыра увлекает за собой пространство и позволяет материи двигаться по орбите ближе к черной дыре, чем это возможно для невращающейся черной дыры.Измеряя вращение далеких черных дыр, исследователи находят важные подсказки о том, как эти объекты растут с течением времени. Если черные дыры растут в основном в результате столкновений и слияний между галактиками, они должны накапливать материал в стабильном диске, а постоянное поступление нового материала из диска должно приводить к быстро вращающимся черным дырам.
Напротив, если черные дыры прорастают через множество небольших эпизодов аккреции, они будут накапливать материал со случайных направлений. Подобно карусели, которую толкают вперед и назад, это заставит черную дыру вращаться медленнее.Открытие того, что черная дыра в RX J1131 вращается со скоростью, превышающей половину скорости света, предполагает, что эта черная дыра, наблюдаемая на расстоянии шести миллиардов световых лет, что соответствует возрасту примерно 7,7 миллиардов лет после Большого взрыва, выросла за счет слияний. вместо того, чтобы тянуть материал с разных сторон.
Способность измерять спин черной дыры в большом диапазоне космического времени должна позволить напрямую изучить, развивается ли черная дыра примерно с той же скоростью, что и ее родительская галактика. Измерение вращения черной дыры RX J1131-1231 является важным шагом на этом пути и демонстрирует технику сборки выборки далеких сверхмассивных черных дыр с помощью существующих рентгеновских обсерваторий.
До объявления этой работы самые далекие черные дыры с прямыми оценками вращения располагались на расстоянии 2,5 миллиарда и 4,7 миллиарда световых лет от нас.Центр космических полетов НАСА им. Маршалла в Хантсвилле, штат Алабама, руководит программой Chandra для Управления научных миссий НАСА в Вашингтоне.
Смитсоновская астрофизическая обсерватория в Кембридже, штат Массачусетс, контролирует научные исследования и полеты Чандры.Дополнительное интерактивное изображение, подкаст и видео о находке можно найти на сайте: http://chandra.si.eduДля изображений Chandra, мультимедиа и сопутствующих материалов посетите: http://www.nasa.gov/chandra