Som bubbelpooler i havet, snurrande svarta hål i rymden skapar en virvlande ström runt dem. Dock, svarta hål skapar inte virvlar av vind eller vatten. Snarare, de genererar skivor av gas och damm som värms upp till hundratals miljoner grader som lyser i röntgenljus.

Med hjälp av data från NASA:s Chandra X-ray Observatory och slumpmässiga justeringar över miljarder ljusår, astronomer har använt en ny teknik för att mäta spinn av fem supermassiva svarta hål. Materien i en av dessa kosmiska virvlar virvlar runt dess svarta hål med mer än cirka 70 % av ljusets hastighet.

Astronomerna utnyttjade ett naturfenomen som kallas gravitationslins. Med precis rätt inriktning, rumtidens böjning av ett massivt föremål, som en stor galax, kan förstora och producera flera bilder av ett avlägset objekt, som förutspåtts av Einstein.

I denna senaste forskning, astronomer använde Chandra och gravitationslinser för att studera sex kvasarer, var och en består av ett supermassivt svart hål som snabbt konsumerar materia från en omgivande ackretionsskiva. Gravitationslinsning av ljuset från var och en av dessa kvasarer av en mellanliggande galax har skapat flera bilder av varje kvasar, som visas av dessa Chandra-bilder av fyra av målen. Chandras skarpa avbildningsförmåga behövs för att separera multipeln, linsbilder av varje kvasar.

Det viktigaste framsteg som forskare gjorde i denna studie var att de utnyttjade "mikrolensering, "där enskilda stjärnor i det mellanliggande, linsgalaxen gav ytterligare förstoring av ljuset från kvasaren. En högre förstoring betyder att ett mindre område producerar röntgenstrålningen.

Forskarna använde sedan egenskapen att ett snurrande svart hål drar runt utrymmet med sig och låter materia kretsa närmare det svarta hålet än vad som är möjligt för ett icke-snurrande svart hål. Därför, ett mindre emitterande område som motsvarar en snäv omloppsbana innebär i allmänhet ett snabbare snurrande svart hål. Författarna drog slutsatsen från sin mikrolinsanalys att röntgenstrålningen kommer från ett så litet område att de svarta hålen måste snurra snabbt.

Resultaten visade att ett av de svarta hålen, i den linsade kvasaren som kallas "Einstein Cross, "snurrar på, eller nästan vid, högsta möjliga skattesats. Detta motsvarar händelsehorisonten, det svarta hålets point of no return, snurrar med ljusets hastighet, vilket är cirka 670 miljoner miles per timme. Fyra andra svarta hål i provet snurrar, i genomsnitt, till ungefär hälften av denna maximala ränta. (Den 6:e möjliggjorde inte en uppskattning av spinn.)

För Einsteinkorset kommer röntgenstrålningen från en del av skivan som är mindre än cirka 2,5 gånger så stor som händelsehorisonten, och för de andra fyra kvasarerna kommer röntgenstrålningen från en region som är fyra till fem gånger så stor som händelsehorisonten.

Hur kan dessa svarta hål snurra så snabbt? Forskarna tror att dessa supermassiva svarta hål sannolikt växte genom att ackumulera det mesta av deras material under miljarder år från en ansamlingsskiva som snurrade med en liknande orientering och rotationsriktning, snarare än från slumpmässiga håll. Som en karusell som hela tiden trycks åt samma håll, de svarta hålen fortsatte att ta fart.

Röntgenstrålningen som detekteras av Chandra produceras när ackretionsskivan som omger det svarta hålet skapar ett moln i flera miljoner grader, eller corona, ovanför skivan nära det svarta hålet. Röntgenstrålar från denna korona reflekteras från den inre kanten av accretionskivan, och de starka gravitationskrafterna nära det svarta hålet förvränger det reflekterade röntgenspektrumet, det är, mängden röntgenstrålar som ses vid olika energier. De stora förvrängningarna som ses i röntgenspektra av kvasarerna som studeras här innebär att den inre kanten av skivan måste vara nära de svarta hålen, ger ytterligare bevis på att de måste snurra snabbt.

Kvasarerna är belägna på avstånd från 8,8 miljarder till 10,9 miljarder ljusår från jorden, och de svarta hålen har massor mellan 160 och 500 miljoner gånger solens. Dessa observationer var de längsta som någonsin gjorts med Chandra av gravitationslinsförsedda kvasarer, med totala exponeringstider på mellan 1,7 och 5,4 dagar.