Jak wynika z nowego badania wykorzystującego dane z Obserwatorium Rentgenowskiego Chandra i amerykańskiej Agencji Narodowej, supermasywna czarna dziura w centrum Drogi Mlecznej wiruje tak szybko, że wypacza otaczającą ją czasoprzestrzeń w kształt przypominający piłkę nożną. Bardzo duża tablica (VLA) Karla G. Jansky'ego Fundacji Science. Ten futbolowy kształt sugeruje, że czarna dziura wiruje ze znaczną prędkością, którą naukowcy oszacowali na około 60% jej potencjalnego limitu.
Prace kierowane przez profesor fizyki z Penn State Berks, Ruth Daly, zostały opublikowane w czasopiśmie Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Astronomowie nazywają tę gigantyczną czarną dziurę Sagittarius A* (Sgr A*). Znajduje się około 26 000 lat świetlnych od Ziemi, w centrum galaktyki. Aby określić, jak szybko wiruje Sgr A* – jedna z jego podstawowych właściwości, obok masy – badacze zastosowali metodę wykorzystującą dane rentgenowskie i radiowe do oceny, w jaki sposób materia przepływa w kierunku czarnej dziury i od niej. Metoda została opracowana i opublikowana przez Daly’ego w 2019 roku w The Astrophysical Journal.
„Nasza praca może pomóc w rozstrzygnięciu kwestii szybkości wirowania supermasywnej czarnej dziury w naszej galaktyce” – powiedział Daly. „Nasze wyniki wskazują, że Sgr A* wiruje bardzo szybko, co jest interesujące i ma dalekosiężne implikacje”.
Zespół odkrył, że prędkość kątowa – liczba obrotów na sekundę – spinu Sgr A* wynosi około 60% maksymalnej możliwej wartości, co stanowi granicę ustaloną, ponieważ materiał nie może poruszać się szybciej niż prędkość światła.
Wcześniejsze szacunki prędkości Sgr A* zostały dokonane przy użyciu różnych technik i przez innych astronomów, a wyniki wahały się od całkowitego braku rotacji do wirowania z niemal maksymalną szybkością.
„Ta praca pokazuje jednak, że może się to zmienić, jeśli zwiększy się ilość materiału w pobliżu Sgr A*” – powiedział Daly.
Obracająca się czarna dziura przyciąga „czasoprzestrzeń” – połączenie czasu i trzech wymiarów przestrzeni – oraz pobliską materię. Przyciąganie grawitacyjne zgniata także czasoprzestrzeń, zmieniając jej kształt w zależności od sposobu obserwacji. Czasoprzestrzeń wydaje się okrągła, jeśli patrzy się na czarną dziurę z góry. Z boku jednak czasoprzestrzeń ma kształt piłki nożnej. Im szybszy obrót, tym bardziej płaska piłka nożna.
Daly powiedział, że spin może również służyć jako źródło energii, jeśli materia – na przykład gaz lub pozostałości gwiazdy, która wędruje zbyt blisko – istnieje w pobliżu czarnej dziury. Gdy czarna dziura się obraca, materia może uciec w postaci wąskich dżetów, zwanych skolimowanymi wypływami. Jednak Sgr A* ma obecnie ograniczoną pobliską materię, więc przez ostatnie tysiąclecia czarna dziura była stosunkowo cicha, ze słabo skolimowanymi wypływami.
„Wirująca czarna dziura jest jak rakieta na platformie startowej” – powiedział Biny Sebastian, współautor z Uniwersytetu Manitoba w Winnipeg w Kanadzie. „Gdy materiał zbliży się wystarczająco blisko, to tak, jakby ktoś zatankował rakietę i nacisnął przycisk „wystrzel”.
Oznacza to, że w przyszłości, jeśli właściwości materii i natężenie pola magnetycznego w pobliżu czarnej dziury ulegną zmianie, część ogromnej energii wirowania czarnej dziury może spowodować silniejsze wypływy. Ten materiał źródłowy może pochodzić z gazu lub pozostałości gwiazdy rozerwanej przez grawitację czarnej dziury, jeśli gwiazda ta zbliży się zbyt blisko Sgr A*.
„Dżety zasilane i kolimowane przez wirującą centralną czarną dziurę galaktyki mogą głęboko wpłynąć na zaopatrzenie w gaz całej galaktyki, co wpływa na to, jak szybko i czy mogą powstawać gwiazdy” – powiedziała współautorka Megan Donahue z Michigan State University. „Pęcherzyki Fermiego widoczne w promieniach rentgenowskich i gamma wokół czarnej dziury naszej Drogi Mlecznej pokazują, że czarna dziura prawdopodobnie była aktywna w przeszłości. Pomiar wirowania naszej czarnej dziury jest ważnym testem tego scenariusza”.
Bąble Fermiego odnoszą się do struktur emitujących promienie gamma nad i pod czarną dziurą, które według teorii badaczy powstały w wyniku wcześniejszych masowych wypływów.
Naukowcy wykorzystali metodę odpływu do określenia spinu Sgr A*. Podejście Daly'ego uwzględnia związek między spinem czarnej dziury a jej masą, właściwościami materii w pobliżu czarnej dziury i właściwościami wypływu. Skolimowany wypływ wytwarza fale radiowe, podczas gdy dysk gazu otaczający czarną dziurę emituje promieniowanie rentgenowskie. Naukowcy połączyli dane obserwacyjne z Chandry i VLA z niezależnymi szacunkami masy czarnej dziury z innych teleskopów, aby opracować metodę wypływu i określić spin czarnej dziury.
„Mamy szczególny widok na Sgr A*, ponieważ jest to najbliższa nam supermasywna czarna dziura” – powiedział współautor Anan Lu z McGill University w Montrealu w Kanadzie. „Chociaż obecnie jest cicho, nasza praca pokazuje, że w przyszłości da niesamowicie potężny impuls otaczającej materii. Może się to zdarzyć za tysiąc lub milion lat, ale może się to zdarzyć za naszego życia”.
Oprócz wymienionych powyżej współautorami są Christopher O'Dea z Uniwersytetu w Manitobie i Daryl Haggard z Uniwersytetu McGill.
Centrum Lotów Kosmicznych im. Marshalla zarządza programem Chandra. Centrum rentgenowskie Chandra w Obserwatorium Smithsonian Astrophysical Observatory kontroluje operacje naukowe z Cambridge w stanie Massachusetts oraz operacje lotnicze z Burlington w stanie Massachusetts.