Gökbilimciler sallanan yıldız malzemesini kullanarak süper kütleli bir kara deliğin dönüşünü ilk kez ölçüyorlar

MIT, NASA ve diğer yerlerdeki 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, yani bir kara deliğin geçmekte olan bir yıldıza gelgit uyguladığı ve onu parçalara ayırdığı son derece parlak bir andan yararlanıyor. 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.

MIT liderliğindeki ekip, yeni oluşturulan birikim diskinin yalpalamasının, merkezi kara deliğin doğal dönüşünü hesaplamanın anahtarı olduğunu gösterdi.

Ortaya çıkan bir çalışmada Doğa, gökbilimciler raporu yakındaki bir süper kütleli kara deliğin dönüşünü, bir gelgit bozulması olayının hemen ardından kara deliğin ürettiği X-ışını parlamalarının modelini takip ederek ölçtüler.

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.

Araştırmanın başyazarı MIT Araştırma Bilimcisi Dheeraj “DJ” Pasham, yeni yöntemin önümüzdeki yıllarda yerel evrendeki yüzlerce kara deliğin dönüşlerini ölçmek için kullanılabileceğini söylüyor. Eğer bilim insanları yakınlardaki birçok kara deliğin dönüşlerini inceleyebilirlerse, kütleçekimsel devlerin 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 geliştiğine dair uzun süredir devam eden soruyu anlayabilirler” diyor. Uzay araştırması.

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

Parçalanmış ısı

Her kara deliğin zaman içindeki kozmik karşılaşmalarıyla şekillenen doğal bir dönüşü vardır. Örneğin, bir kara delik çoğunlukla birikim yoluyla büyüdüyse (kısa süreli olarak diskin üzerine bir miktar malzeme düştüğünde), bu durum kara deliğin oldukça yüksek hızlara çıkmasına neden olur. Buna karşılık, eğer bir kara delik çoğunlukla diğer kara deliklerle birleşerek büyüyorsa, bir kara deliğin dönüşü diğerinin dönüşüyle ​​karşılaştığında her birleşme işleri yavaşlatabilir.

Kara delik dönerken çevredeki uzay-zamanı da kendisiyle birlikte sürükler. Bu sürükleme etkisi, bir kara delik tarafından üretilenler gibi son derece güçlü yerçekimsel alanların çevredeki uzayı ve zamanı nasıl çekebileceğini açıklayan uzun süredir devam eden bir teori olan Lense-Thirring deviniminin bir örneğidir. Normalde bu etki kara deliklerin etrafında belirgin olmaz çünkü devasa 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 bir kara deliğin üzerine düşebileceğini ve kara deliğin dönüşüne göre eğilebilecek veya yanlış hizalanabilecek beyaz-sıcak, parçalanmış malzemeden bir disk oluşturabileceğini tahmin ediyor. (Birikme diskini, kendine ait ayrı bir dönüşe sahip bir çörek deliği etrafında dönen eğik bir çörek olarak hayal edin.)

Disk, kara deliğin dönüşüyle ​​karşılaştığında, kara delik onu hizaya çekerken yalpalıyor. Sonunda, disk kara deliğin dönüşüne yerleştikçe yalpalama azalır. Bilim adamları bu nedenle bir TDE’nin yalpalayan diskinin kara deliğin dönüşünün ölçülebilir bir imzası olması gerektiğini öngördü.

Pasham, “Fakat önemli olan doğru gözlemlere sahip olmaktı” diyor. “Bunu yapmanın tek yolu, bir gelgit kesintisi olayı meydana gelir gelmez, bu nesneye çok uzun bir süre boyunca sürekli olarak bakmak için bir teleskop almanız gerekir, böylece dakikalardan başlayarak her türlü zaman ölçeğini inceleyebilirsiniz. aylara kadar.”

Yüksek kadanslı 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 yalpalamazdı.”

Ekip, NASA’nın NICER teleskopunun TDE’yi yakalayabildiğini ve aylar boyunca sürekli olarak onu gözlemleyebildiğini keşfetti. NICER – Nötron yıldızı İç Kompozisyon KaşifiR’nin kısaltması – Uluslararası Uzay İstasyonunda bulunan ve kara deliklerin ve diğer aşırı yerçekimsel nesnelerin etrafındaki X-ışını radyasyonunu ölçen bir X-ışını teleskopudur.

Pasham ve meslektaşları, gelgit kesintisi olayının ilk tespitini takiben 200 gün boyunca NICER’in AT2020ocn gözlemlerini incelediler. Olayın, birkaç döngü boyunca her 15 günde bir zirveye ulaşan ve sonunda sönen X-ışınları yaydığını keşfettiler.

Zirveleri, TDE’nin birikim diskinin doğrudan NICER’in teleskopuna doğru X-ışınları yayınlayarak yüz yüze yalpaladığı, ardından X-ışınları yaymaya devam ederken yalpalayarak uzaklaştığı zamanlar olarak yorumladılar (her 15 günde bir bir el fenerini birine doğru ve uzağa doğru sallamaya benzer) ).

Araştırmacılar bu yalpalama modelini alıp bunu Lense-Thirring deviniminin orijinal teorisine dönüştürdüler. Kara deliğin ve bozulan yıldızın kütlesine ilişkin tahminlere dayanarak, kara deliğin dönüşü için ışık hızının yüzde 25’inden daha az bir tahminde bulunmayı başardılar.

Elde edilen sonuçlar, bilim adamlarının bir kara deliğin dönüşünü tahmin etmek için gelgit kesintisi olayının ardından sallanan bir diskin gözlemlerini ilk kez kullandıklarını gösteriyor. 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 tarihini anlatır” diyor. “Rubin’in yakaladığı bunların küçük bir kısmı bu tür bir sinyale sahip olsa bile, artık yüzlerce TDE’nin dönüşlerini ölçecek bir yönteme sahibiz. O zaman kara deliklerin evrenin yaşı boyunca nasıl evrimleştiğine dair büyük bir açıklama yapabiliriz. “

Bu hikaye MIT News’in izniyle yeniden yayınlanmıştır (web.mit.edu/newsoffice/MIT araştırması, inovasyonu ve öğretimi ile ilgili haberleri kapsayan popüler bir site.