Det supermassiva svarta hålet i mitten av Vintergatan snurrar så snabbt att det förvränger rumtiden som omger det till en form som kan se ut som en fotboll, enligt en ny studie som använder data från NASA:s Chandra X-ray Observatory och National Science Stiftelsens Karl G. Jansky Very Large Array (VLA).
Astronomer kallar detta gigantiska svarta hål för Skytten A* (förkortat Sgr A*), som ligger cirka 26 000 ljusår från jorden i mitten av vår galax.
Svarta hål har två grundläggande egenskaper:deras massa (hur mycket de väger) och deras spinn (hur snabbt de roterar). Att fastställa endera av dessa två värden berättar forskarna mycket om vilket svart hål som helst och hur det beter sig.
Ett team av forskare tillämpade en ny metod som använder röntgen- och radiodata för att bestämma hur snabbt Sgr A* snurrar baserat på hur materialet strömmar mot och bort från det svarta hålet. De fann att Sgr A* snurrar med en vinkelhastighet – antalet varv per sekund – det vill säga ungefär 60 % av det maximalt möjliga värdet, en gräns som sätts av att material inte kan färdas snabbare än ljusets hastighet.
Tidigare gjorde olika astronomer flera andra uppskattningar av Sgr A*:s rotationshastighet med hjälp av olika tekniker, med resultat som sträckte sig från att Sgr A* inte snurrade alls till att den snurrade med nästan maximal hastighet.
"Vårt arbete kan hjälpa till att lösa frågan om hur snabbt vår galax supermassiva svarta hål snurrar", säger Ruth Daly från Penn State University, som är huvudförfattare till den nya studien. "Våra resultat tyder på att Sgr A* snurrar väldigt snabbt, vilket är intressant och har långtgående konsekvenser."
Ett roterande svart hål drar "rumtid" (kombinationen av tid och de tre dimensionerna av rymden) och närliggande materia runt när det snurrar. Rymdtiden runt det snurrande svarta hålet kläms också ner. Ser man ner på ett svart hål från toppen, längs med pipan på vilken jet den producerar, är rymdtiden en cirkulär form. Om man tittar på det snurrande svarta hålet från sidan är rumstiden dock formad som en fotboll. Ju snabbare snurr, desto plattare fotboll.
Ett svart håls spinn kan fungera som en viktig energikälla. Spinnande supermassiva svarta hål kan producera kollimerade utflöden, det vill säga smala materialstrålar som strålar, när deras spinnenergi utvinns, vilket kräver att det åtminstone finns en del materia i närheten av det svarta hålet.
På grund av begränsat bränsle runt Sgr A* har detta svarta hål varit relativt tyst under de senaste årtusendena med relativt svaga jetstrålar. Detta arbete visar dock att detta kan förändras om mängden material i närheten av Sgr A* ökar.
"Ett snurrande svart hål är som en raket på uppskjutningsrampen", säger Biny Sebastian, medförfattare från University of Manitoba i Winnipeg, Kanada. "När materialet kommer tillräckligt nära, är det som att någon har fyllt på raketen och tryckt på "startknappen."
Det betyder att i framtiden, om materiens egenskaper och magnetfältstyrkan nära det svarta hålet förändras, kan en del av den enorma energin från det svarta hålets spinn driva kraftigare utflöden. Detta källmaterial kan komma från gas eller från resterna av en stjärna som slits isär av det svarta hålets gravitation om den stjärnan vandrar för nära Sgr A*.
"Jets som drivs och kollimeras av en galaxs snurrande centrala svarta hål kan djupt påverka gastillförseln för en hel galax, vilket påverkar hur snabbt och till och med om stjärnor kan bildas", säger medförfattaren Megan Donahue från Michigan State University. "Fermi-bubblorna som ses i röntgenstrålar och gammastrålar runt Vintergatans svarta hål visar att det svarta hålet förmodligen var aktivt tidigare. Att mäta vårt svarta håls spinn är ett viktigt test av detta scenario."
För att bestämma spinn av Sgr A* använde författarna en empiriskt baserad teoretisk metod som kallas "utflödesmetoden" som beskriver förhållandet mellan det svarta hålets spinn och dess massa, egenskaperna hos materien nära det svarta hålet, och utflödesegenskaperna.
Det kollimerade utflödet producerar radiovågorna, medan gasskivan som omger det svarta hålet är ansvarig för röntgenstrålningen. Med den här metoden kombinerade forskarna data från Chandra och VLA med en oberoende uppskattning av det svarta hålets massa från andra teleskop för att begränsa det svarta hålets spinn.
"Vi har en speciell syn på Sgr A* eftersom det är det supermassiva svarta hålet närmast oss", säger medförfattaren Anan Lu från McGill University i Montreal, Kanada. "Även om det är tyst just nu, visar vårt arbete att det i framtiden kommer att ge en otroligt kraftfull kick till omgivande materia. Det kan hända om tusen eller en miljon år, eller så kan det hända under våra liv."
Studien är publicerad i tidskriften Monthly Notices of the Royal Astronomical Society .
Mer information: Ruth A Daly et al, Nya svarta håls spin-värden för Skytten A* erhållna med utflödesmetoden, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2023). DOI:10.1093/mnras/stad3228
Journalinformation: Månatliga meddelanden från Royal Astronomical Society
Tillhandahålls av Chandra X-ray Center
