Weryfikacja rotacji supermasywnej czarnej dziury – ogólna teoria względności Einsteina błyszczy

Galaktyka M87 Czarna dziura Pokazuje oscylujący strumień, potwierdzając jego rotację, jak wynika z trwających dwie dekady badań, które są zgodne z przewidywaniami ogólnej teorii względności Einsteina.

Pobliska radiogalaktyka M87, położona 55 milionów lat świetlnych od Ziemi i zawierająca czarną dziurę 6,5 miliarda razy większą od Słońca, wykazuje przepływ oscylacyjny, który oscyluje w górę i w dół z amplitudą około 10 stopni, potwierdzając istnienie czarnej dziury otwór. okłady.

Wyniki badania, którym kierował chiński badacz dr Yuzhou Cui, opublikowano w czasopiśmie: Natura 27 września przeprowadził je międzynarodowy zespół wykorzystujący globalną sieć radioteleskopów.

Dzięki obszernej analizie danych teleskopowych z lat 2000–2022 zespół badawczy ujawnił 11-letni powtarzający się cykl precesji podstawy dżetu, zgodnie z przewidywaniami ogólnej teorii względności Einsteina. Badanie łączy dynamikę przepływu z centralną supermasywną czarną dziurą, dostarczając dowodów na to, że czarna dziura w M87 się obraca.

Zjawiska supermasywnej czarnej dziury

Supermasywne czarne dziury w centrach aktywnych galaktyk – najbardziej niestabilne ciała niebieskie w naszym wszechświecie – mogą gromadzić ogromne ilości materii ze względu na swoją niezwykłą siłę grawitacji i siłę grawitacji. osocze Wypływy, zwane dżetami, zbliżają się do prędkości światła i rozciągają się na tysiące lat świetlnych.

Mechanizm przenoszenia energii pomiędzy supermasywnymi czarnymi dziurami a ich dyskami akrecyjnymi i relatywistycznymi dżetami od ponad stulecia intryguje fizyków i astronomów. Przeważająca teoria sugeruje, że energię można pozyskać z obracającej się czarnej dziury, co umożliwi wyrzucenie części materiału otaczającego supermasywną czarną dziurę ze znaczną energią. Jednak spin supermasywnych czarnych dziur, kluczowy czynnik w tym procesie i najważniejszy parametr poza masą czarnej dziury, nie został bezpośrednio zaobserwowany.

Górny panel: Struktura strumienia M87 przy 43 GHz na podstawie danych dotyczących układania się strumieni w ciągu pół roku obserwowanych w latach 2013–2018. Białe strzałki wskazują kąt położenia strumienia na każdym poletku cząstkowym. Panel dolny: najlepiej dopasowane wyniki na podstawie corocznie nakładanego obrazu z lat 2000–2022. Zielone i niebieskie kropki uzyskano z obserwacji odpowiednio przy 22 GHz i 43 GHz. Czerwona linia przedstawia najlepsze dopasowanie zgodnie z modelem inicjatywy. Źródło: Yuzhou Cui i in., 2023

Skup się na M87

W swoich badaniach zespół badawczy skupił się na M87, gdzie w 1918 roku zaobserwowano pierwszy obserwacyjny dżet astrofizyczny. Dzięki bliskości tej gwiazdy obszary powstawania dżetów w pobliżu czarnej dziury można szczegółowo określić za pomocą interferometrii bardzo długiej linii bazowej (VLBI). Reprezentuje to również obrazowanie cienia współczesnej czarnej dziury za pomocą Teleskopu Horyzontu Zdarzeń (EHT). Analizując dane VLBI z M87 uzyskane w ciągu ostatnich 23 lat, zespół wykrył okresowe dżety prekursorowe u jej podstawy, zapewniając wgląd w stan centralnej czarnej dziury.

Dynamika i teoria względności czarnych dziur

U podstaw tego odkrycia leży kluczowe pytanie: jaka siła we wszechświecie może zmienić kierunek tak potężnego dżetu? Odpowiedź może kryć się w zachowaniu dysku akrecyjnego – formacji powiązanej z centralną supermasywną czarną dziurą.

Gdy spadająca materia okrąża czarną dziurę ze względu na swój moment pędu, tworzy strukturę przypominającą dysk, po czym stopniowo spiralnie opada do wewnątrz, aż do fatalnego wciągnięcia do czarnej dziury. Jeśli jednak czarna dziura się obraca, wywiera znaczący wpływ na otaczającą ją czasoprzestrzeń, powodując przyciąganie pobliskich obiektów wzdłuż jej osi obrotu, co jest zjawiskiem znanym jako „opór ramki” i przewidywanym przez ogólną teorię względności Einsteina .

Kompleksowa analiza zespołu badawczego sugeruje, że oś obrotu dysku akrecyjnego odbiega od osi obrotu czarnej dziury, co prowadzi do strumienia wstępnego. Wykrycie tego ruchu dostarcza jednoznacznych dowodów na to, że supermasywna czarna dziura w M87 rzeczywiście się obraca, co pogłębia naszą wiedzę na temat natury supermasywnych czarnych dziur.

„Jesteśmy zadowoleni z tego ważnego wyniku” – powiedział Yuzhou Cui, pracownik naukowy ze stopniem doktora w Zhejiang Laboratory, instytucji badawczej w Hangzhou i główny autor badania. „Ponieważ przesunięcie między czarną dziurą a dyskiem jest stosunkowo małe, a okres precesji wynosi około 11 lat, aby uzyskać ten przełom, konieczne jest gromadzenie danych o wysokiej rozdzielczości śledzących strukturę M87 przez dwie dekady i wszechstronna analiza”.

Dr Kazuhiro Hada z Narodowego Obserwatorium Astronomicznego Japonii dodał: „Po udanym zobrazowaniu czarnej dziury w tej galaktyce za pomocą EHT, głównym problemem naukowców stało się to, czy ta czarna dziura się obraca, czy nie”. „Teraz oczekiwanie zamieniło się w pewność. Ta potworna czarna dziura już się kręci.”

Przyszły wkład i implikacje

W pracy tej wykorzystano łącznie 170 epok obserwacji uzyskanych przez sieć VLBI Azji Wschodniej (EAVN), tablicę Very Long Baseline Array (VLBA), wspólną tablicę KVN i VERA (KaVA) oraz globalną sieć od Azji Wschodniej do Włoch. (JEDZENIE) sieć. W sumie w badaniach wzięło udział ponad 20 teleskopów z całego świata.

Do tego projektu przyczyniły się także chińskie radioteleskopy, w tym chiński radioteleskop Tianma o średnicy 65 metrów, charakteryzujący się ogromną czaszą i dużą czułością na fale milimetrowe. Ponadto 26-metrowy radioteleskop w Xinjiangu poprawia rozdzielczość kątową obserwacji EAVN. Aby osiągnąć to osiągnięcie, niezbędne są wysokiej jakości dane o dużej czułości i wysokiej rozdzielczości kątowej.

„40-metrowy radioteleskop Shigatse w Obserwatorium Astronomicznym w Szanghaju poprawi możliwości EAVN w zakresie obrazowania milimetrowego. W szczególności Płaskowyż Tybetański, na którym znajduje się teleskop, ma jedne z najlepszych warunków lokalizacyjnych do obserwacji na długości fali (submilimetrowej), ” powiedział prof. Zhiqiang Chen, dyrektor Szanghajskiego Obserwatorium Astronomicznego Chińskiej Akademii Nauk, powiedział: „Spełnia to nasze oczekiwania dotyczące wzmocnienia krajowej infrastruktury do obserwacji astronomicznych”.

Chociaż badanie to rzuca światło na tajemniczy świat supermasywnych czarnych dziur, niesie ze sobą także ogromne wyzwania. Struktura dysku akrecyjnego i dokładny obrót supermasywnej czarnej dziury M87 są nadal w dużej mierze niepewne. W ramach tej pracy przewidziano również, że będzie więcej źródeł o tej konfiguracji, co stanowi wyzwanie dla naukowców do odkrycia.

Odniesienie: „Dysza strumieniowa łącząca się z obracającą się czarną dziurą w M87” autorstwa Yucho Kuei, Kazuhiro Hada, Tomohisa Kawashima, Motoki Kino, Weikang Lin, Yusuke Mizuno, Hyunwook Ru, Markei Honma, Kono Yi, Jintao Yu, Jongho Park, Wu Jiang, Zhiqiang Chen, Evgenia Kravchenko, Juan Carlos Algaba, Xiaoping Cheng, Eli Zhou, Gabriele Giovannini, Marcello Giroletti, Taehyun Jung, Ru Sin Lu, Kotaro Ninuma, Jungwan Oh, Ken Ohsuga, Satoko Sawada Satoh, Bong Won Son, Hiroyuki R Takahashi, Meeko Takamura, Fumi Tazaki, Sasha Tripp, Kiyoaki Wajima, Kazunori Akiyama, Tao An, Keiichi Asada, Salvatore Botaccio, Do Young-byun, Lang Kui, Yoshiaki Hagiwara, Tomoya Hirota, Jeffrey Hodgson, Noriyuki Kawaguchi, Jae-Young Kim, Sang Song Lee, Ji-Won Lee, Jeong-Ee Lee, Giuseppe Maccaferri, Andrea Melis, Alexey Melnikov, Carlo Migoni, Si-Jin Oh, Koichiro Sugiyama, Xuezheng Wang, Yingkang Zhang, Zhong Chen, Jo-Yun Hwang, Dong-Kyu Jung, Heo-Ryung Kim, Jeong Suk Kim, Hideyuki Kobayashi, Bin Li, Guangwei Li, Xiaofei Li, Xiong Liu, Qinghui Liu, Xiang Liu, Chung Sik Oh, Tomoaki Aoyama, Duke Jiu Ruo, Jinqing Wang, Na Wang, Xiqiang Wang, Bo Xia, Hao Yan, Jae-hwan Yum, Yoshinori Yonekura, Jianping Yuan, Hua Zhang, Rongping Zhao i Yi Zhong, 27 września 2023 r., Natura.
doi: 10.1038/s41586-023-06479-6