Gökbilimciler İlk Kez Süper Kütleli Bir Kara Deliğin Dönüşünü Ölçmek İçin Yok Edilen Yıldızları Kullanıyor

Araştırmacılar süper kütleli kara delikleri ve onların evrendeki evrimini araştırmak için yeni bir yöntem geliştirdiler.

Bilim insanları MİT, NASAve başka yerlerde ölçmek için bir yöntem geliştirildi Kara delik gelgit kesintisi olaylarından kaynaklanan birikim disklerinin sallanmasını kullanarak döner. Bu olaylardan kaynaklanan X-ışını parlamalarının izlenmesini içeren teknik, yakındaki bir süper kütleli kara deliğin dönüşünün ışık hızının %25’inden daha az olduğunu ortaya çıkardı. Bu yeni yaklaşım, evrendeki kara deliklerin evrimsel tarihini anlamaya yardımcı olabilir.

Kara Delik Spinlerini Ölçmek İçin Yeni Bir Yöntem

Gökbilimciler, yıldız ziyafetinin titrek sonuçlarını kullanarak bir kara deliğin ne kadar hızlı döndüğünü ölçmenin yeni bir yolunu buldu.

Yöntem, bir kara delik gelgit bozulması olayından yararlanıyor; bir kara deliğin, geçmekte olan bir yıldıza gelgit uyguladığı ve onu parçalara ayırdığı son derece parlak bir an. Yıldız, kara deliğin muazzam gelgit kuvvetleri tarafından bozulduğunda, yıldızın yarısı uçup gider, diğer yarısı ise kara deliğin etrafına fırlatılır ve dönen yıldız malzemesinden oluşan yoğun derecede sıcak bir birikim diski oluşturulur.

X-Ray Flaşlarını ve Kara Delik Dönüşünü İzleme

MIT liderliğindeki ekip, yeni oluşan birikim diskinin salınımının, merkezdeki kara deliğin içsel dönüşünü anlamada kilit rol oynadığını gösterdi.

Yakın zamanda yayınlanan bir çalışmada Doğagökbilimciler, gelgit kesintisi olayının hemen ardından kara deliğin ürettiği X-ışını flaşlarının modelini izleyerek yakındaki süper kütleli bir kara deliğin dönüşünü ölçtüklerini bildirdiler. Ekip, parlamaları birkaç ay boyunca takip etti ve bunların muhtemelen kara deliğin kendi dönüşü tarafından itilip çekilirken ileri geri sallanan parlak-sıcak bir birikim diskinin sinyali olduğunu belirledi.

Bilim insanları, diskin yalpalamasının zaman içinde nasıl değiştiğini takip ederek, diskin kara deliğin dönüşünden ne kadar etkilendiğini ve dolayısıyla kara deliğin kendisinin ne kadar hızlı döndüğünü hesaplayabildiler. Analizleri, kara deliğin ışık hızının yüzde 25’inden daha düşük bir hızda döndüğünü gösterdi; bu, kara delikler ilerledikçe nispeten yavaştı.

Kara Delik Evrimini Ölçmek

Çalışmanın baş yazarı, MIT Araştırma Bilim İnsanı Dheeraj “DJ” Pasham, yeni yöntemin önümüzdeki yıllarda yerel evrendeki yüzlerce kara deliğin dönüşlerini ölçmek için kullanılabileceğini söylüyor. Bilim insanları yakınlardaki birçok kara deliğin dönüşlerini inceleyebilirlerse, kütle çekim devlerinin evrenin tarihi boyunca nasıl evrimleştiğini anlamaya başlayabilirler.

MIT’nin Kavli Astrofizik Enstitüsü üyesi olan Pasham, “Gökbilimciler önümüzdeki yıllarda bu yöntemle çeşitli sistemler üzerinde çalışarak kara delik dönüşlerinin genel dağılımını tahmin edebilir ve bunların zaman içinde nasıl evrimleştiğine dair uzun süredir devam eden soruyu anlayabilirler” diyor. Uzay araştırması.

Araştırmanın ortak yazarları arasında NASA ve Masaryk Üniversitesi de dahil olmak üzere bir dizi kurumdan işbirlikçileri yer alıyor. Çek CumhuriyetiLeeds Üniversitesi, Syracuse Üniversitesi, Tel Aviv Üniversitesi, Polonya Bilimler Akademisi ve başka yerler.

Bu şematik şekil, parçalanmış bir yıldızın kalıntılarından oluşan bir birikim diskinin süper kütleli bir kara deliğin (SMBH) etrafındaki devinimini tasvir etmektedir. Sol panel, birikim diski kenardan konfigürasyona yakın olduğunda, devinim aşamasını gösterir; bu, daha küçük disk alanının gözlemlenmesine ve dolayısıyla daha düşük parlaklığa neden olur. Gözlemci çoğunlukla presesyon diskinin daha soğuk, dış kısımlarını görebilir. Sağ panel, görünür disk alanının daha büyük olduğu ve dolayısıyla parlaklığın da arttığı, neredeyse tam karşıya bakan bir devinim aşamasını tasvir ediyor. Diskin içteki daha sıcak kısımları daha sonra tamamen açığa çıkar. Katkıda bulunanlar: Michal Zajacek ve Dheeraj Pasham’ın izniyle

Gelgit Bozulması Olaylarından İçgörüler

Her kara deliğin, zaman içinde kozmik karşılaşmalarıyla şekillenen doğal bir dönüşü vardır. Örneğin, bir kara delik çoğunlukla birikim yoluyla büyüdüyse — diske bir miktar madde düştüğü kısa durumlar, bu kara deliğin oldukça yüksek hızlara dönmesine neden olur. Buna karşılık, bir kara delik çoğunlukla diğer kara deliklerle birleşerek büyüyorsa, her birleşme bir kara deliğin dönüşünün diğerinin dönüşüyle ​​karşılaşması nedeniyle her şeyi yavaşlatabilir.

Bir kara delik dönerken, etrafındaki uzay-zamanı da beraberinde sürükler. Bu sürükleme etkisi, bir kara delik tarafından üretilenler gibi aşırı güçlü kütle çekim alanlarının etrafındaki uzay ve zamanı nasıl çekebildiğini açıklayan uzun süredir devam eden bir teori olan Lense-Thirring deviniminin bir örneğidir. Normalde, bu etki kara deliklerin etrafında belirgin olmazdı çünkü büyük nesneler ışık yaymaz.

Ancak son yıllarda fizikçiler, gelgit kesintisi olayı veya TDE gibi durumlarda, bilim adamlarının yıldız enkazından gelen ışığı sürüklendikçe takip etme şansına sahip olabileceklerini öne sürdüler. Daha sonra kara deliğin dönüşünü ölçmeyi umabilirler.

Özellikle, bir TDE sırasında, bilim insanları bir yıldızın herhangi bir yönden kara deliğe düşebileceğini ve kara deliğin dönüşüne göre eğilebilen veya hizalanamayan beyaz-sıcak, parçalanmış malzemeden oluşan bir disk üretebileceğini öngörüyor. (Akıntı diskini, kendi ayrı dönüşüne sahip bir çörek deliğinin etrafında dönen eğik bir çörek olarak hayal edin.) Disk kara deliğin dönüşüyle ​​karşılaştığında, kara delik onu hizaya getirdiğinde sallanır. Sonunda, disk kara deliğin dönüşüne yerleştikçe sallanma azalır. Bilim insanları, bir TDE’nin sallanan diskinin bu nedenle kara deliğin dönüşünün ölçülebilir bir imzası olması gerektiğini öngördüler.

“Ancak anahtar nokta doğru gözlemlere sahip olmaktı,” diyor Pasham. “Bunu yapmanın tek yolu, bir gelgit bozulması olayı meydana gelir gelmez, bu nesneye sürekli olarak, çok uzun bir süre boyunca bakacak bir teleskop edinmeniz gerekir, böylece dakikalardan aylara kadar her türlü zaman ölçeğini inceleyebilirsiniz.”

Yüksek Ritmli Bir Yakalama

Geçtiğimiz beş yıl boyunca Pasham, Lense-Thirring deviniminin işaretlerini hızlı bir şekilde takip etmek ve takip etmek için yeterince parlak ve yeterince yakın olan gelgit bozulma olaylarını aradı. 2020 yılının Şubat ayında, o ve meslektaşları, ilk olarak Zwicky Geçici Tesisi tarafından optik bantta tespit edilen, yaklaşık bir milyar ışıkyılı uzaklıktaki bir galaksiden yayılan parlak bir flaş olan AT2020ocn’nin tespit edilmesiyle şanslıydı.

Optik verilere göre flaşın TDE’yi takip eden ilk anlar olduğu ortaya çıktı. Hem parlak hem de nispeten yakın olan Pasham, TDE’nin disk sallantısının işaretlerini aramak ve muhtemelen ev sahibi galaksinin merkezindeki kara deliğin dönüşünü ölçmek için ideal aday olabileceğinden şüpheleniyordu. Ancak bunun için çok daha fazla veriye ihtiyacı olacak.

Pasham, “Hızlı ve yüksek tempolu verilere ihtiyacımız vardı” diyor. “Önemli olan bunu erkenden yakalamaktı çünkü bu devinim veya yalpalama yalnızca erken dönemde mevcut olmalıydı. Daha sonra disk artık sallanmayacak.

Ekip, NASA’nın NICER teleskopunun TDE’yi yakalayabildiğini ve aylar boyunca sürekli olarak onu gözlemleyebildiğini keşfetti. NICER – Nötron yıldızı İç Kompozisyon Kaşifi’nin kısaltması – bir X-ışını teleskopudur. Uluslararası Uzay istasyonu Kara delikler ve diğer aşırı çekimsel nesnelerin etrafındaki X-ışını radyasyonunu ölçen bir cihaz.

Pasham ve meslektaşları, gelgitsel bozulma olayının ilk tespitinden sonraki 200 gün boyunca NICER’in AT2020ocn gözlemlerine baktılar. Olayın, sonunda sönmeden önce birkaç döngü boyunca her 15 günde bir zirveye ulaşan X-ışınları yaydığını keşfettiler. Zirveleri, TDE’nin birikim diskinin yüz yüze sallandığı, X-ışınlarını doğrudan NICER’in teleskopuna doğru yaydığı ve X-ışınları yaymaya devam ederken sallanarak uzaklaştığı zamanlar olarak yorumladılar (her 15 günde bir birinden uzağa ve ona doğru bir el feneri sallamaya benzer).

Sonuç ve Gelecek Beklentileri

Araştırmacılar bu yalpalama modelini alıp Lense-Thirring devinimi için orijinal teoriye dahil ettiler. Kara deliğin kütlesi ve parçalanmış yıldızın kütlesine ilişkin tahminlere dayanarak, kara deliğin dönüşü için bir tahminde bulunabildiler – ışık hızının yüzde 25’inden daha az.

Bulguları, bilim insanlarının bir kara deliğin dönüş hızını tahmin etmek için gelgitsel bir bozulma olayının ardından sallanan bir diskin gözlemlerini kullandıkları ilk sefer olma özelliğini taşıyor.

“Kara delikler büyüleyici nesnelerdir ve üzerlerine düştüğünü gördüğümüz madde akışları evrendeki en parlak olaylardan bazılarını üretebilir,” diyor çalışmanın ortak yazarı, Leeds Üniversitesi’nde teorik fizik doçenti olan Chris Nixon. “Hala anlamadığımız çok şey olsa da, bizi şaşırtmaya ve keşfedilecek yeni yollar üretmeye devam eden inanılmaz gözlem tesisleri var. Bu olay da bu sürprizlerden biri.”

Rubin Gözlemevi gibi yeni teleskoplar önümüzdeki yıllarda devreye girdikçe Pasham, kara delik dönüşlerini tespit etmek için daha fazla fırsat öngörüyor.

Pasham, “Süper kütleli bir kara deliğin dönüşü size o kara deliğin geçmişi hakkında bilgi verir,” diyor. “Rubin’in yakaladığı kara deliğin küçük bir kısmı bile bu tür bir sinyale sahip olsa bile, artık yüzlerce TDE’nin dönüşlerini ölçmenin bir yoluna sahibiz. O zaman kara deliklerin evrenin yaşı boyunca nasıl evrimleştiği hakkında büyük bir açıklama yapabiliriz.”

Referans: Dheeraj R. Pasham, Michal Zajaček, CJ Nixon, Eric R. Coughlin, Marzena Śniegowska, Agnieszka Janiuk, Bożena Czerny, Thomas Wevers, Muryel Guolo, Yukta Ajay tarafından yazılan “Süper kütleli bir kara delik bir yıldızı bozduktan sonra Mercek-Thirring devinimi” ve Michael Loewenstein, 22 Mayıs 2024, Doğa.
DOI: 10.1038/s41586-024-07433-w

Bu araştırma kısmen NASA ve ABD tarafından finanse edildi. Avrupa Uzay Ajansı.