Pobliska radiogalaktyka M87, położona 55 milionów lat świetlnych od Ziemi i zawierająca czarną dziurę 6,5 miliarda razy masywniejszą od Słońca, posiada oscylujący dżet, którego orientacja zmienia się w górę i w dół z amplitudą około 10 stopni. To dowód na to, że czarna dziura wiruje wokół własnej osi.
Badania, kierowane przez chińskiego badacza dr Cui Yuzhu i opublikowane w periodyku Nature 27 września, zostały przeprowadzone przez międzynarodowy zespół przy użyciu globalnej sieci radioteleskopów.
Dzięki obszernej analizie danych teleskopowych zebranych w latach 2000–2022 zespół badawczy ujawnił powtarzający się 11-letni cykl ruchu precesyjnego podstawy dżetu. Badania łączą dynamikę dżetu z centralną supermasywną czarną dziurą, dostarczając dowodów na to, że czarna dziura M87 obraca się wokół własnej osi.
Supermasywne czarne dziury w centrach aktywnych galaktyk mogą akumulować ogromne ilości materii dzięki sile grawitacji i mocy wypływów plazmy, tzw. dżetów, które wyrzucane są z okolic czarnej dziury z prędkością bliską prędkości światła, rozciągając się na tysiące lat świetlnych.
Mechanizm przenoszenia energii pomiędzy supermasywnymi czarnymi dziurami a ich dyskami akrecyjnymi i relatywistycznymi dżetami od ponad stu lat stanowi zagadkę dla fizyków i astronomów.
Obowiązująca teoria sugeruje, że energię można pozyskać z wirującej czarnej dziury, co pozwala na wyrzucenie z dużą energią części materii otaczającego supermasywną czarną dziurę. Jednakże spin supermasywnych czarnych dziur, będący kluczowym czynnikiem w tym procesie i najbardziej podstawowym parametrem innym niż masa czarnej dziury, nie został jeszcze nigdy zaobserwowany bezpośrednio.
W najnowszych badaniach zespół badawczy skupił się na M87, gdzie w 1918 r. zaobserwowano pierwszy obserwacyjny dżet astrofizyczny. Dzięki stosunkowo niewielkiej odległości obszary powstawania dżetów w pobliżu czarnej dziury można szczegółowo określić za pomocą interferometrii wielkobazowej (VLBI). Analizując dane VLBI z M87 uzyskane w ciągu ostatnich 23 lat, zespół wykrył okresow precesujący dżet u jej podstawy. Na tej podstawie udało się uzyskać nowe informacje o samej czarnej dziurze.
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, konfiguracji powiązanej z centralną supermasywną czarną dziurą.
Gdy opadająca na czarną dziurę materia krąży wokół czarnej dziury zgodnie z momentem pędu, tworzy strukturę przypominającą dysk, z którego stopniowo opada za horyzont zdarzeń. Jeśli jednak czarna dziura wiruje, wywiera znaczący wpływ na otaczającą ją czasoprzestrzeń, powodując przeciąganie otaczającej ją materii zgodnie z osią, wokół której wiruje. Jest to zjawisko znane jako „wleczenia czasoprzestrzeni” będące konsekwencją ogólnej teorii względności Einsteina.
Szeroko zakrojona analiza wskazuje, że oś obrotu dysku akrecyjnego nie pokrywa się z osią obrotu czarnej dziury, co prowadzi do powstania strumienia precesyjnego. Wykrycie tej precesji dostarcza jednoznacznych dowodów na to, że supermasywna czarna dziura w M87 rzeczywiście wiruje.
„Niewspółosiowość pomiędzy czarną dziurą a dyskiem jest stosunkowo niewielka, a okres precesji wynosi około 11 lat, gromadzenie danych o wysokiej rozdzielczości śledzących strukturę M87 przez dwie dekady oraz dokładna analiza są niezbędne do uzyskania takich wyników” – powiedział Cui Yuzhu, pracownik naukowy ze stopniem doktora w Zhejiang Lab, instytucji badawczej w Hangzhou oraz główny i korespondencyjny autor artykułu.
„Po sukcesie obrazowania czarnej dziury w tej galaktyce za pomocą Teleskopu Horyzontu Zdarzeń (EHT), głównym przedmiotem zainteresowania naukowców stało się to, czy czarna dziura wiruje, czy nie” – dodaje dr Kazuhiro Hada z Narodowego Obserwatorium Astronomicznego Japonii. „Teraz oczekiwanie zamieniło się w pewność. Ta potworna czarna dziura rzeczywiście się kręci”.
Chociaż badanie to rzuca światło na tajemniczy świat supermasywnych czarnych dziur, niesie ze sobą także ogromne wyzwania. Struktura dysku akrecyjnego i dokładna wartość obrotu supermasywnej czarnej dziury M87 są nadal wysoce niepewne. W ramach tej pracy przewidziano również, że takich obiektów powinno być znacznie więcej. Trzeba je teraz tylko znaleźć.
Źródło: 1