Den 22 nov. 2014, astronomer såg en sällsynt händelse på natthimlen:ett supermassivt svart hål i mitten av en galax, nästan 300 miljoner ljusår från jorden, sliter isär en passerande stjärna. Händelsen, känd som en tidvattenstörning, för det svarta hålets massiva tidvattendrag som sliter isär en stjärna, skapade en explosion av röntgenaktivitet nära galaxens mitt. Sedan dess, en mängd observatorier har tränat sina sikte på händelsen, i hopp om att lära sig mer om hur svarta hål livnär sig.

Nu har forskare vid MIT och på andra håll sökt igenom data från flera teleskops observationer av händelsen, och upptäckte en märkligt intensiv, stabil, och periodisk puls, eller signal, av röntgenstrålar, över alla datamängder. Signalen tycks komma från ett område mycket nära det svarta hålets händelsehorisont - punkten bortom vilken material oundvikligen sväljes av det svarta hålet. Signalen ser ut att periodvis ljusna upp och blekna var 131:e sekund, och kvarstår i minst 450 dagar.

Forskarna tror att allt som sänder ut den periodiska signalen måste kretsa runt det svarta hålet, strax utanför händelsehorisonten, nära den innersta stabila cirkulära omloppsbanan, eller ISCO – den minsta omloppsbana där en partikel säkert kan färdas runt ett svart hål.

Med tanke på signalens stabila närhet till det svarta hålet, och det svarta hålets massa, som forskare tidigare uppskattat vara ungefär 1 miljon gånger solens, teamet har beräknat att det svarta hålet snurrar med cirka 50 procent av ljusets hastighet.

Resultaten, rapporterade idag i tidningen Vetenskap , är den första demonstrationen av en flad av tidvattenavbrott som används för att uppskatta ett svart håls snurr.

Studiens första författare, Dheeraj Pasham, en postdoc vid MIT:s Kavli Institute for Astrophysics and Space Research, säger att de flesta supermassiva svarta hål är vilande och vanligtvis inte avger mycket i vägen för röntgenstrålning. Endast ibland kommer de att släppa en explosion av aktivitet, som när stjärnor kommer tillräckligt nära för att svarta hål ska kunna sluka dem. Nu säger han att med tanke på lagets resultat, sådana tidvattenstörningar kan användas för att uppskatta spinn av supermassiva svarta hål – en egenskap som har varit, ända tills nu, otroligt knepigt att sätta fast.

"Händelser där svarta hål river sönder stjärnor som kommer för nära dem kan hjälpa oss att kartlägga spinn av flera supermassiva svarta hål som är vilande och annars gömda i galaxernas centrum, ", säger Pasham. "Detta kan i slutändan hjälpa oss att förstå hur galaxer utvecklades under kosmisk tid."

Pashams medförfattare inkluderar Ronald Remillard, Jeroen Homan, Deepto Chakrabarty, Frederick Baganoff, och James Steiner från MIT; Alessia Franchini vid University of Nevada; Chris Fragile från College of Charleston; Nicholas Stone från Columbia University; Eric Coughlin från University of California i Berkeley; och Nishanth Pasham, av Sunnyvale, Kalifornien.

En riktig signal

Teoretiska modeller av tidvattenstörningar visar att när ett svart hål river isär en stjärna, en del av stjärnans material kan stanna utanför händelsehorisonten, cirkulerande, åtminstone tillfälligt, i en stabil omloppsbana som ISCO, och avger periodiska blixtar av röntgenstrålar innan de till slut matas av det svarta hålet. Röntgenblixtarnas periodicitet kodar alltså nyckelinformation om storleken på ISCO, vilket i sig dikteras av hur snabbt det svarta hålet snurrar.

Pasham och hans kollegor trodde att om de kunde se sådana regelbundna blixtar mycket nära ett svart hål som nyligen hade genomgått en tidvattenstörning, dessa signaler kan ge dem en uppfattning om hur snabbt det svarta hålet snurrade.

De fokuserade sin sökning på ASASSN-14li, tidvattenavbrottshändelsen som astronomer identifierade i november 2014, med den markbaserade All-Sky Automated Survey for SuperNovae (ASASSN).

"Det här systemet är spännande eftersom vi tror att det är en affisch för tidvattenstörningar, " säger Pasham. "Denna speciella händelse verkar matcha många av de teoretiska förutsägelserna."

Teamet tittade igenom arkiverade datamängder från tre observatorier som samlat in röntgenmätningar av händelsen sedan dess upptäckt:Europeiska rymdorganisationens XMM-Newton rymdobservatorium, och NASA:s rymdbaserade Chandra- och Swift-observatorier. Pasham utvecklade tidigare en datorkod för att upptäcka periodiska mönster i astrofysiska data, men inte för tidvattenstörningar specifikt. Han bestämde sig för att tillämpa sin kod på de tre datamängderna för ASASSN-14li, för att se om några vanliga periodiska mönster skulle stiga till ytan.

Det han observerade var en förvånansvärt stark, stabil, och periodiskt utbrott av röntgenstrålning som verkade komma från mycket nära kanten av det svarta hålet. Signalen pulserade var 131:e sekund, över 450 dagar, och var extremt intensiv - cirka 40 procent över det svarta hålets genomsnittliga röntgenljusstyrka.

"Först trodde jag inte på det eftersom signalen var så stark, " säger Pasham. "Men vi såg det i alla tre teleskopen. Så till slut, signalen var verklig."

Baserat på signalens egenskaper, och massan och storleken på det svarta hålet, teamet uppskattade att det svarta hålet snurrar med minst 50 procent av ljusets hastighet.

"Det är inte supersnabbt - det finns andra svarta hål med snurr som uppskattas vara nära 99 procent av ljusets hastighet, " säger Pasham. "Men det här är första gången vi kan använda tidvattenstörningar för att begränsa snurrandet av supermassiva svarta hål."

Att lysa upp det osynliga

När Pasham upptäckte den periodiska signalen, det var upp till teoretikerna i teamet att hitta en förklaring till vad som kan ha genererat det. Teamet kom på olika scenarier, men den som verkar mest sannolikt att generera en så stark, vanlig röntgenstrålning innebär inte bara att ett svart hål river sönder en passerande stjärna, men också en mindre typ av stjärna, känd som en vit dvärg, kretsar nära det svarta hålet.

En sådan vit dvärg kan ha cirkulerat det supermassiva svarta hålet, vid ISCO – den innersta stabila cirkulära omloppsbanan – under en tid. Ensam, det skulle inte ha räckt att sända ut någon form av detekterbar strålning. För alla avsikter och ändamål, den vita dvärgen skulle ha varit osynlig för teleskop när den cirklade runt det relativt inaktiva, snurrande svart hål.

Någon gång runt den 22 november, 2014, en andra stjärna passerade tillräckligt nära systemet för att det svarta hålet slet isär det i en flad av tidvattenavbrott som avgav en enorm mängd röntgenstrålning, i form av heta, strimlat stjärnmaterial. När det svarta hålet drog detta material inåt, en del av stjärnskräpet föll ner i det svarta hålet, medan några stannade precis utanför, i den innersta stabila omloppsbanan — precis samma omloppsbana som den vita dvärgen cirklade i. När den vita dvärgen kom i kontakt med detta heta stjärnmaterial, troligen drog den med sig som en slags självlysande överrock, lyser upp den vita dvärgen i en intensiv mängd röntgenstrålar varje gång den cirklade runt det svarta hålet, var 131:e sekund.

Forskarna medger att ett sådant scenario skulle vara otroligt sällsynt och bara pågå i flera hundra år på sin höjd - ett ögonblick i kosmiska skalor. Chanserna att upptäcka ett sådant scenario skulle vara ytterst små.

"Problemet med det här scenariot är att om du har ett svart hål med en massa som är 1 miljon gånger solens, och en vit dvärg kretsar runt den, sedan någon gång under bara några hundra år, den vita dvärgen kommer att störta i det svarta hålet, " säger Pasham. "Vi skulle ha haft extremt tur att hitta ett sådant system. Men åtminstone när det gäller systemets egenskaper, det här scenariot verkar fungera."

Resultatens övergripande betydelse är att de visar att det är möjligt att begränsa ett svart håls spinn, från tidvattenstörningar, enligt Pasham. Går framåt, han hoppas kunna identifiera liknande stabila mönster i andra stjärnnedbrytande händelser, från svarta hål som finns längre tillbaka i rum och tid.

"Under det kommande decenniet, vi hoppas kunna upptäcka fler av dessa händelser, "Säger Pasham. "Att uppskatta snurr av flera svarta hål från tidernas begynnelse till nu skulle vara värdefullt när det gäller att uppskatta om det finns ett samband mellan spinnet och svarta håls ålder."