Melnie caurumi liek saprast mūsu izpratni par Visumu un fizikas likumiem. Melnajam caurumam griežoties, tas apvelk apkārtējo telpu un dod astronomiem iespēju izpētīt dažus Einšteina pareģojumus par relativitāti.
Melno caurumu esamība, iespējams, ir visvairāk aizraujoša Einšteina vispārējās relativitātes teorijas prognoze. Kad jebkura masa, piemēram, zvaigzne, kļūst kompaktāka par noteiktu robežu, pašas gravitācija kļūst tik spēcīga, ka objekts sabrūk līdz vienskaitļa punktam - melnajam caurumam. Populārā prātā šis milzīgais gravitācijas avots ir vieta, kur notiek dīvainas lietas. Un tagad Astrofizikas centra vadīta komanda ir izmērījusi zvaigžņu masas melno caurumu, kas griežas tik strauji - pagriežot vairāk nekā 950 reizes sekundē -, ka tas nospiež paredzēto griešanās ātruma ierobežojumu.
"Es teiktu, ka šis smaguma režīms ir tikpat tālu no tiešas pieredzes un zināšanām, kā pati subatomiskā pasaule," saka CfA astronoms Džefrijs Makklinsts.
Izmantojot McClintock un CfA astrofiziķa Rameša Narajana kopīgi izstrādāto griešanās mērīšanas paņēmienu, komanda izmantoja NASA Rossi rentgenstaru Timing Explorer satelīta datus, lai sniegtu vistiešāko līdz šim noteikto melno caurumu griezienu.
Makklinsts un Narajana vadīja starptautisku grupu, kuras sastāvā bija Rebeka Šafee no Hārvarda universitātes Fizikas departamenta; Ronalds Remilārds, Kavli Astrofizikas un kosmosa pētījumu centrs, MIT; Šajs Deiviss, Kalifornijas Universitāte, Santa Barbara, un Li-Xin Li, Max-Planck Astrofizikas institūts, Vācija, šajā pētījumā. Rezultāti tiek publicēti šodienas Astrofiziskā žurnāla numurā.
"Mums tagad ir precīzas trīs melno caurumu griešanās pakāpes vērtības," saka Makklinsts. "Visaizraujošākais ir mūsu rezultāts mikrokvazā GRS1915 + 105, kura griešanās ir no 82% līdz 100% no teorētiskās maksimālās vērtības."
"Šim rezultātam ir liela nozīme izskaidrojot, kā melnie caurumi izstaro strūklu, modelējot iespējamos gamma staru pārrāvumu avotus un atklājot gravitācijas viļņus," saka teorētiķis Narajans.
Kāpēc astronomi rūpējas par griešanos?
"Astronomijā melnais caurums ir pilnībā aprakstīts tikai ar diviem cipariem, kas norāda tā masu un cik ātri tas rotē," saka Makklinsts. "Mēs neko citu nezinām šo vienkāršo, izņemot tādas pamata daļiņas kā elektronu vai kvarku."
Lai arī astronomiem ir izdevies izmērīt melnā cauruma masu, viņiem ir daudz grūtāk izmērīt melnā cauruma otro pamatparametru - tā griešanos.
"Patiešām, līdz šim gadam nevienam melnajam caurumam nebija ticamu aplēses par griezienu," saka Narajana.
Melnā cauruma gravitācija ir tik spēcīga, ka, melnajam caurumam griežoties, tas aizvelk apkārtējo telpu. Šī vērpšanas cauruma malu sauc par notikumu horizontu. Jebkurš materiāls, kas šķērso notikuma horizontu, tiek ievilkts melnajā caurumā.
“Melnā cauruma griešanās biežums, ko mēs izmērījām, ir ātrums, ar kādu telpas laiks mainās vai tiek vilkts tieši pie melnā cauruma notikumu horizonta,” saka Narajana.
Ātrgaitas melnais caurums, GRS 1915, ir vismasīvākais no 20 rentgenstaru binārajiem melnajiem caurumiem, par kuriem šobrīd ir zināmas masas, un tas sver apmēram 14 reizes vairāk nekā Saule. Tas ir labi pazīstams ar unikālām īpašībām, piemēram, matērijas strūklu izmešanu gandrīz gaismas ātrumā un tās rentgena izstarojuma straujām izmaiņām.
Pēdējās desmitgadēs rentgenstaru binārajās sistēmās ir atklāti desmitiem melno caurumu. X-ray binārā ir sistēma, kurā divi objekti riņķo apkārt viens otram, un gāze no vienas - normālas zvaigznes, piemēram, Saules - vienmērīgi tiek nodota otrai - šajā gadījumā melnajam caurumam. Gāze spirālē uz melno caurumu tiek saukta par akreciju. Spirālim virzoties, tas sasilst līdz miljoniem grādu un izstaro rentgena starus. Komanda izmantoja melnā cauruma akrecijas diska rentgenstaru spektru, lai noteiktu tā griešanos.
Metode balstās uz galveno relativitātes teorijas prognozi: gāze, kas uzkrājas uz melnā cauruma, izstaro tikai līdz noteiktam rādiusam, kas atrodas ārpus melnā cauruma - ārpus tā notikumu horizonta. Šajā rādiusā gāze pārāk ātri iekrīt caurumā, lai radītu daudz starojuma. Kritiskais rādiuss ir atkarīgs no melnā cauruma griešanās, tāpēc šī rādiusa mērīšana nodrošina tiešu griešanās aplēsi. Jo mazāks rādiuss, jo karstāks ir rentgena starojums, ko izstaro no diska. Rentgenstaru temperatūra apvienojumā ar rentgena spilgtumu dod rādiusu, kas, savukārt, piešķir melnā cauruma griešanās ātrumu.
“Ir ļoti forši, ja varam izmērīt kaut ko šo fundamentālo,” saka Rebeka Šafee, kura ir Hārvarda universitātes Fizikas nodaļas absolvente. “Mūsu metode ir ļoti vienkārša un viegli saprotama. Mums patiešām ir paveicies, ja mums ir jaudīgas rentgena observatorijas, piemēram, Rossi rentgenstaru laika noteikšanas pētnieks kosmosā, un teleskopi uz Zemes, lai veiktu nepieciešamos mērījumus. ”
Komandas rezultāti var palīdzēt meklēt gamma staru pārrāvumu cēloni, kas uz brīdi var būt spilgtākā zibspuldze Visumā. Teorētiskais astrofiziķis Stens Vooslijs no Kalifornijas universitātes Santakrusā ir modelējis gamma staru pārrāvumus, pamatojoties uz masīvas zvaigznes sabrukumu. Šie modeļi tomēr ir atkarīgi no tā, vai pastāv melnie caurumi ar ļoti augstu griešanos, kas līdz šim vēl nebija apstiprināti.
"Tas ir ārkārtīgi svarīgi," saka Vooslijs. "Man nebija ne mazākās nojausmas, ka šādus mērījumus varētu veikt."
Rakstā secināts, ka GRS 1915 un pārējie divi melnie caurumi, kurus pētīja komanda, ir dzimuši ar saviem lielajiem griezieniem. Tas ir, oriģinālās masīvās zvaigznes sabrūkošais kodols leņķa impulsu leja melnajā caurumā.
"Kopš tā laika, kad sabiedrība pirms daudziem gadiem izdomāja, kā izmērīt melnā cauruma masu, griešanās mērīšana ir bijusi svētais grāls šajā laukā," saka Makinklots. “Paņēmienu, ko mēs izmantojām GRS 1915, var izmantot daudzām citām melno caurumu rentgena binārajām binārajām binārām. Mēs nevaram gaidīt, lai redzētu, ko atrodam! '”
"Viena no mūsu cerībām ir tāda, ka melno caurumu sistēmas, kuras mēs pētām, izpētīs arī citas grupas, izmantojot savas iecienītās grieziena mērīšanas metodes," saka Narajana. "Kad šīs citas metodes tiks attīstītas tālāk un kļūs ticamākas, visinteresantākais būs dažādu metožu rezultātu salīdzinājums."
Oriģinālais avots: CfA ziņu izlaidums
