Astronomer vid MIT, NASA och på andra håll har ett nytt sätt att mäta hur snabbt ett svart hål snurrar, genom att använda det vingliga efterspelet från dess stjärnfest.
Metoden drar fördel av en tidvattenavbrottshändelse i ett svart hål - ett blixtrande ljust ögonblick när ett svart hål utövar tidvatten på en passerande stjärna och river den i sönder. När stjärnan störs av det svarta hålets enorma tidvattenkrafter, blåser hälften av stjärnan bort, medan den andra halvan slungas runt det svarta hålet, vilket genererar en intensivt het ansamlingsskiva av roterande stjärnmaterial.
Det MIT-ledda teamet har visat att vinklingen av den nyskapade accretion-skivan är nyckeln till att räkna ut det centrala svarta hålets inneboende spinn.
I en studie som visas i Nature , rapporterar astronomerna att de har mätt spinn av ett närliggande supermassivt svart hål genom att spåra mönstret av röntgenblixtar som det svarta hålet producerade omedelbart efter en tidvattenavbrottshändelse.
Teamet följde blixtarna under flera månader och fastställde att de sannolikt var en signal om en starkt het ackretionsskiva som vinglade fram och tillbaka när den trycktes och drogs av det svarta hålets egen snurr.
Genom att spåra hur skivans vinkling förändrades över tiden kunde forskarna räkna ut hur mycket skivan påverkades av det svarta hålets snurr, och i sin tur hur snabbt det svarta hålet i sig snurrade. Deras analys visade att det svarta hålet snurrade med mindre än 25 procent av ljusets hastighet – relativt långsam när svarta hål går.
Studiens huvudförfattare, MIT-forskaren Dheeraj "DJ" Pasham, säger att den nya metoden kan användas för att mäta snurrarna av hundratals svarta hål i det lokala universum under de kommande åren. Om forskare kan överblicka snurrningarna av många närliggande svarta hål kan de börja förstå hur gravitationsjättarna utvecklades under universums historia.
"Genom att studera flera system under de kommande åren med den här metoden kan astronomer uppskatta den övergripande fördelningen av svarta håls spinn och förstå den långvariga frågan om hur de utvecklas över tiden", säger Pasham, som är medlem av MIT:s Kavli Institute for Astrophysics och Rymdforskning.
Studiens medförfattare inkluderar medarbetare från ett antal institutioner, inklusive NASA, Masaryk University i Tjeckien, University of Leeds, University of Syracuse, Tel Aviv University, Polska vetenskapsakademin och på andra håll.
Varje svart hål har en inneboende spin som har formats av dess kosmiska möten över tid. Om, till exempel, ett svart hål har vuxit mestadels genom ackretion - korta tillfällen när något material faller på skivan, får det svarta hålet att snurra upp till ganska höga hastigheter. Däremot, om ett svart hål växer mestadels genom att smälta samman med andra svarta hål, kan varje sammanslagning sakta ner saker och ting när ett svart håls snurr möter det andras spinn.
När ett svart hål snurrar drar det den omgivande rumtiden med sig. Denna drageffekt är ett exempel på Lense-Thirring-precession, en långvarig teori som beskriver hur extremt starka gravitationsfält, som de som genereras av ett svart hål, kan dra på det omgivande rummet och tiden. Normalt skulle denna effekt inte vara uppenbar runt svarta hål, eftersom de massiva föremålen inte avger något ljus.
Men under de senaste åren har fysiker föreslagit att, i fall som under en tidvattenavbrottshändelse, eller TDE, kan forskare ha en chans att spåra ljuset från stjärnskräp när det släpas runt. Sedan kanske de hoppas kunna mäta det svarta hålets spinn.
I synnerhet, under en TDE, förutspår forskare att en stjärna kan falla ner i ett svart hål från vilken riktning som helst, vilket genererar en skiva av vithett, sönderrivet material som kan lutas eller feljusteras med avseende på det svarta hålets spinn. (Föreställ dig ackretionsskivan som en lutad munk som snurrar runt ett munkhål som har sin egen, separata snurr.)
När skivan möter det svarta hålets snurr, vinglar den när det svarta hålet drar in det i linje. Så småningom avtar vinklingen när skivan sätter sig i det svarta hålets snurr. Forskare förutspådde att en TDE:s vacklande skiva därför borde vara en mätbar signatur på det svarta hålets spinn.
"Men nyckeln var att ha rätt observationer," säger Pasham. "Det enda sättet du kan göra detta är att så fort en tidvattenavbrott inträffar måste du få ett teleskop att titta på det här föremålet kontinuerligt, under mycket lång tid, så att du kan undersöka alla typer av tidsskalor, från minuter till månader."
Under de senaste fem åren har Pasham letat efter tidvattenstörningar som är tillräckligt ljusa och nära nog för att snabbt kunna följa upp och spåra tecken på Lense-Thirring-precession. I februari 2020 hade han och hans kollegor tur, med upptäckten av AT2020ocn, en ljus blixt, som kommer från en galax omkring en miljard ljusår bort, som ursprungligen upptäcktes i det optiska bandet av Zwicky Transient Facility.
Från den optiska datan verkade blixten vara de första ögonblicken efter en TDE. Eftersom han var både ljusstark och relativt nära, misstänkte Pasham att TDE kunde vara den idealiska kandidaten för att leta efter tecken på att skivorna vinglade, och möjligen mäta det svarta hålets spinn i värdgalaxens centrum. Men för det skulle han behöva mycket mer data.
"Vi behövde snabba och högkadensdata", säger Pasham. "Nyckeln var att fånga detta tidigt eftersom denna precession, eller wobble, bara borde vara närvarande tidigt. När som helst senare, och disken skulle inte vingla längre."
Teamet upptäckte att NASA:s NICER-teleskop kunde fånga TDE och kontinuerligt hålla ett öga på det under månader i taget. NICER – en förkortning för Neutron star Interior Composition ExploreR – är ett röntgenteleskop på den internationella rymdstationen som mäter röntgenstrålning runt svarta hål och andra extrema gravitationsobjekt.
Pasham och hans kollegor tittade igenom NICER:s observationer av AT2020ocn under 200 dagar efter den första upptäckten av tidvattenstörningen. De upptäckte att händelsen avgav röntgenstrålar som verkade nå sin topp var 15:e dag, under flera cykler, innan de så småningom försvann.
De tolkade topparna som tillfällen då TDE:s ackretionsskiva vinglade ansikte mot, avgav röntgenstrålar direkt mot NICER:s teleskop, innan den vinglade iväg när den fortsatte att sända röntgenstrålar (liknande att vifta en ficklampa mot och bort från någon var 15:e dag ).
Forskarna tog detta mönster av vinkling och arbetade in det i den ursprungliga teorin för Lense-Thirring-precession. Baserat på uppskattningar av det svarta hålets massa och den avbrutna stjärnan kunde de komma med en uppskattning av det svarta hålets spinn—mindre än 25 procent av ljusets hastighet.
Deras resultat markerar första gången som forskare har använt observationer av en vinglande skiva efter en tidvattenavbrottshändelse för att uppskatta spinnet av ett svart hål. När nya teleskop som Rubin-observatoriet kommer online under de kommande åren, förutser Pasham fler möjligheter att slå fast svarta håls snurr.
"Snurran av ett supermassivt svart hål berättar om historien om det svarta hålet," säger Pasham. "Även om en liten bråkdel av de som Rubin fångar har den här typen av signal, har vi nu ett sätt att mäta snurrarna för hundratals TDE. Då skulle vi kunna göra ett stort uttalande om hur svarta hål utvecklas över universums ålder. "
