Sorte huller bøjer vores forståelse af universet og fysiklove. Når det sorte hul roterer, trækker det det omgivende rum rundt med det og giver astronomer en mulighed for at studere nogle af Einsteins forudsigelser om relativitet.
Eksistensen af sorte huller er måske den mest fascinerende forudsigelse af Einsteins generelle relativitetsteori. Når en hvilken som helst masse, såsom en stjerne, bliver mere kompakt end en bestemt grænse, bliver dens egen tyngdekraft så stærk, at genstanden kollapser til et enkelt punkt, et sort hul. I det populære sind er denne enorme tyngdekraften et sted, hvor underlige ting sker. Og nu har et Center for Astrofysikledet hold målt et stjernemasse sort hul, der snurrede så hurtigt - drejede mere end 950 gange i sekundet - at det skubber den forudsagte hastighedsgrænse for rotation.
”Jeg vil sige, at dette tyngdekraftregime er lige så langt fra direkte erfaring og viden som den subatomiske verden selv,” siger CfA-astronom Jeffrey McClintock.
Anvendelse af en teknik til måling af spin udviklet i fællesskab af McClintock og CfA-astrofysiker Ramesh Narayan, teamet brugte NASAs Rossi X-ray Timing Explorer satellitdata til at give den mest direkte bestemmelse endnu om sort hulspin.
McClintock og Narayan ledede en international gruppe bestående af Rebecca Shafee, Harvard University Physics Department; Ronald Remillard, Kavli Center for Astrophysics and Space Research, MIT; Shane Davis, University of California, Santa Barbara, og Li-Xin Li, Max-Planck Institute for Astrophysics, Tyskland, i denne forskning. Resultaterne offentliggøres i dagens udgave af Astrophysical Journal.
”Vi har nu nøjagtige værdier for spinhastighederne for tre sorte huller,” siger McClintock. ”Det mest spændende er vores resultat for mikroquasaren GRS1915 + 105, som har en spin, der er mellem 82% og 100% af den teoretiske maksimale værdi.”
”Dette resultat har store konsekvenser for at forklare, hvordan sorte huller udsender jetfly, til modellering af mulige kilder til gammastråle-bursts og for påvisning af tyngdekraftsbølger,” siger teoretikeren Narayan.
Hvorfor bryr astronomer sig om spin?
"I astronomi er et sort hul fuldstændigt beskrevet af kun to tal, der specificerer dens masse, og hvor hurtigt det roterer," siger McClintock. ”Vi ved intet andet så simpelt undtagen en grundlæggende partikel som en elektron eller en kvark.”
Selvom astronomer har haft succes med at måle sort hulmasse, har de fundet det meget vanskeligere at måle den anden grundlæggende parameter for et sort hul, dets drejning.
”Indtil i år var der intet troværdigt skøn over spin for noget sort hul,” siger Narayan.
Et sort huls tyngdekraft er så stærk, at når det sorte hul roterer, trækker det det omgivende rum langs. Kanten af dette spindehul kaldes begivenhedshorisonten. Alt materiale, der krydser begivenhedshorisonten, trækkes ind i det sorte hul.
”Det sorte huls spinfrekvens, vi målte, er den hastighed, hvormed plads-tid roterer eller bliver trukket, lige ved det sorte huls begivenhedshorisont,” siger Narayan.
Det hurtige sorte hul, GRS 1915, er det mest massive af de 20 røntgenstråle binære sorte huller, som masser i øjeblikket er kendt for, og vejer ca. 14 gange så meget som Solen. Det er velkendt for unikke egenskaber, såsom at udsætte stråler af stof med næsten lysets hastighed og hurtige variationer i dens røntgenemission.
I løbet af de sidste par årtier er der opdaget snesevis af sorte huller i røntgen-binære systemer. En binær røntgenstråle er et system, hvor to objekter kredser rundt om hinanden med gas fra den ene - en normal stjerne som solen - overføres støt til den anden - i dette tilfælde et sort hul. Gassen spiraler på det sorte hul ved en proces kaldet akkretion. Når det spiraler ind, varmer det op til millioner af grader og udstråler røntgenstråler. Holdet brugte røntgenspektret på det sorte huls akkretionsdisk til at bestemme dets spin.
Teknikken er baseret på en nøgleforudsigelse af relativitetsteorien: gas, der hæver sig på et sort hul, stråler kun ned til en bestemt radius, der ligger uden for det sorte hul - uden for dets begivenhedshorisont. Inde i denne radius falder gassen for hurtigt i hullet til at producere meget stråling. Den kritiske radius afhænger af det sorte hulspin, så måling af denne radius giver et direkte estimat af spin. Jo mindre radius er, desto varmere er røntgenstrålene, der udsendes fra disken. Temperaturen på røntgenstrålene, kombineret med røntgenstrålens lysstyrke, giver radius, som igen giver det sorte huls omdrejningshastighed.
”Det er virkelig sejt at være i stand til at måle noget så grundlæggende,” siger Rebecca Shafee, der er kandidatstuderende i fysikafdelingen ved Harvard University. ”Vores metode er meget enkel i koncept og let at forstå. Vi er virkelig heldige med kraftfulde røntgenobservatorier som Rossi X-ray Timing Explorer i rummet og teleskoper på Jorden til at udføre de målinger, vi har brug for. ”
Søgningen efter årsagen til gammastråle-bursts, som et øjeblik kan være den lyseste flash i universet, kan hjælpes af holdets resultater. Den teoretiske astrofysiker Stan Woosley fra University of California, Santa Cruz, har modelleret gamma-ray bursts baseret på sammenbruddet af en massiv stjerne. Disse modeller afhænger dog af eksistensen af sorte huller med meget højt omdrejningspunkt, som hidtil aldrig var blevet bekræftet.
”Dette er ekstremt vigtigt,” siger Woosley. ”Jeg anede ikke, at sådanne målinger kunne foretages.”
Papiret konkluderer, at GRS 1915 og de to andre sorte huller, der blev undersøgt af holdet, blev født med deres høje spins. Det vil sige, den kollapsende kerne af den oprindelige massive stjerne hældte sin vinkelbevægelse ned i det sorte hul.
”Lige siden samfundet regnede ud for mange år siden, hvordan man kunne måle sort hulmasse, har måling af spin været den hellige gral på dette felt,” siger McClintock. ”Den teknik, vi har brugt på GRS 1915, kan anvendes på en række andre sort-hul røntgenstråler. Vi kan ikke vente med at se, hvad vi finder! ”
”Et af vores gode forhåbninger er, at det sorte hulsystem, som vi studerer, også vil blive undersøgt af andre grupper ved hjælp af deres foretrukne metoder til måling af spin,” siger Narayan. ”Når disse andre metoder er blevet videreudviklet og blevet mere pålidelige, ville krydssammenligning af resultater fra de forskellige metoder være mest interessant.”
Original kilde: CfA News Release
