Αποδείξεις για την ιδιοπεριστροφή των μαύρων οπών

Από σελίδα του Chandra και της NASA , 19 Σεπτεμβρίου 2003

Οι παρατηρήσεις των διαστημικών παρατηρητηρίων Chandra και XMM-Newton πάνω σε άτομα σιδήρου, που βρίσκονται μέσα σε ένα καυτό αέριο το οποίο περιστρέφεται γύρω από 3 αστρικές μαύρες τρύπες, έχουν επιτρέψει στους αστρονόμους να ερευνήσουν τα αποτελέσματα της βαρύτητας και την ιδιοπεριστροφή αυτών των μαύρων οπών. Για παράδειγμα, η βαρύτητα των μαύρων οπών μετατοπίζει τις ακτίνες-X από τα άτομα του σιδήρου σε χαμηλότερες ενέργειες, παράγοντας ένα έντονα ασύμμετρο σήμα των ακτίνων X.

Το φάσμα των ακτίνων-X από το σίδηρο μπορούν να αποκαλύψουν εάν οι μαύρες τρύπες περιστρέφονται ή όχι, σύμφωνα με τους αστρονόμους, που χρησιμοποιούν το διαστημικό παρατηρητήριο Chandra των ακτίνων-X της NASA και το παρατηρητήριο XMM-Newton της ESA. Το αέριο από τα άστρα κοντά στις μαύρες τρύπες όπως ρέει σε αυτές και τα παράξενα αποτελέσματα της βαρύτητας που παρατήρησαν κοντά σε τρεις αστρικές μαύρες τρύπες είναι παρόμοια με εκείνα που φάνηκαν γύρω από τις υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες.

Οι μαύρες τρύπες φανερώνονται σε τουλάχιστον δύο διαφορετικά μεγέθη. Στην πρώτη κατηγορία οι αστρικές μαύρες τρύπες είναι μεταξύ 5 και 20 φορές τη μάζα του ήλιου. Στην άλλη κατηγορία, οι μαύρες τρύπες είναι υπερμεγέθεις και περιέχουν ύλη εκατομμύρια φορές ή και δισεκατομμύρια ακόμη τη μάζα του ήλιου μας. Ο Γαλαξίας μας περιέχει όπως είναι γνωστό και μια υπερμεγέθη τέτοια μαύρη τρύπα στο κέντρο του, καθώς επίσης και διάφορες αστρικές μαύρες τρύπες που κατανέμονται σε όλο το Γαλαξία.

Σε μια συνέντευξη τύπου στο συμπόσιο για τα "4 χρόνια του Chandra" στο Χούντσβιλ, ο Jon Miller του Κέντρου Αστροφυσικής του Χάρβαρντ στο Κέιμπριτζ της Μασαχουσέτης συζήτησε τα πρόσφατα αποτελέσματα για φάσματα των ακτίνων-X , ή την κατανομή των ακτίνων-X με την ενέργεια, από τα άτομα του σιδήρου στο αέριο που είναι γύρω από τρεις αστρικές μαύρες τρύπες στο Γαλαξία μας.

Σε αυτή την ομιλία ο Miller είπε, ότι ανακαλύφθηκε ο υψηλός βαθμός αντιστοιχίας μεταξύ των αστρικών και των υπερβολικά μεγάλων μαύρων οπών. Επειδή οι αστρικές μαύρες τρύπες είναι μικρότερες, όλα συμβαίνουν εκατομμύρια φορές γρηγορότερα, κι έτσι μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως δοκιμή για τις θεωρίες με ποιο τρόπο οι ιδιοπεριστρεφόμενες μαύρες τρύπες έχουν επιπτώσεις στο διάστημα και την ύλη γύρω από αυτές.

Οι ακτίνες-X από μια αστρική μαύρη τρύπα παράγονται όταν αέριο, από ένα κοντινό συνοδό άστρο της μαύρης τρύπας, θερμαίνεται σε δεκάδες εκατομμύρια βαθμούς καθώς στροβιλίζεται προς τη μαύρη τρύπα. Τα άτομα του σιδήρου σε αυτό το αέριο παράγουν διακριτικά σήματα των ακτίνων X, που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να μελετηθούν οι τροχιές των σωματιδίων γύρω από τη μαύρη τρύπα. Παραδείγματος χάριν, η βαρύτητα μιας μαύρης τρύπας μπορεί να μετατοπίσει τις ακτίνες-X σε χαμηλότερες ενέργειες.

Τα στοιχεία των μετρήσεων βοηθούν στο να αποκλειστούν ανταγωνιστικές θεωρίες που δεν απαιτούν  ακραία βαρυτικά φαινόμενα και δίνουν μια ακόμη καλύτερη ματιά στη γεωμετρία του χωρόχρονου γύρω από μια αστρική μαύρη τρύπα, που δημιουργείται από το θάνατο ενός τεράστιου αστεριού.

Η τροχιά ενός σωματιδίου κοντά σε μια μαύρη τρύπα εξαρτάται από την κυρτότητα του διαστήματος γύρω από τη μαύρη τρύπα, η οποία εξαρτάται επίσης από το πόσο γρήγορα περιστρέφεται η μαύρη τρύπα. Μια περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα 'σέρνει' το διάστημα γύρω της και επιτρέπει στα άτομα να περιστρέφονται πιο κοντά στη μαύρη τρύπα από όσο βρίσκονται σε μια μη-περιστροφική μαύρη τρύπα.

Τα πιο πρόσφατα στοιχεία του Chandra από τη μαύρη τρύπα Cygnus Χ-1, την πρώτη αστρική μαύρη τρύπα που ανακαλύφθηκε, δείχνουν ότι τα αποτελέσματα της βαρύτητας στο σήμα από τα άτομα του σιδήρου μπορούν να οφείλονται μόνο στα σχετικιστικά αποτελέσματα, και ότι μερικά από τα άτομα βρίσκονται σε απόσταση  από τη μαύρη τρύπα, όχι πιο κοντά από τα 160 km. Δεν υπήρξε όμως κανένα στοιχείο που να δείχνει ότι η μαύρη τρύπα Cygnus Χ-περιστρέφεται.

Τα στοιχεία του διαστημικού παρατηρητηρίου XMM-Newton από τη μαύρη τρύπα XTE J1650-500, παρουσιάζουν μια πολύ παρόμοια κατανομή των ακτίνων X από τα άτομα του σιδήρου αλλά με μια σημαντική εξαίρεση.  Παρατηρούνται περισσότερες ακτίνες X χαμηλής ενέργειας από τα άτομα σιδήρου, μια ένδειξη ότι μερικές ακτίνες-X προέρχονται από μεγάλο βαρυτικό πεδίο γύρω από τη μαύρη τρύπα, περίπου 35 km από τον ορίζοντα γεγονότων της μαύρης τρύπας. Αυτή όμως η μαύρη τρύπα πρέπει να περιστρέφεται γρήγορα.

Οι παρατηρήσεις μιας τρίτης αστρικής μαύρης τρύπας, της GX 339-4, από το Chandra έχουν αποκαλύψει ότι περιστρέφεται επίσης γρήγορα, και ότι νέφη θερμού απορροφώντος αερίου εμφανίζεται να ρέει μακρυά από τη μαύρη τρύπα με ταχύτητες περίπου 500.000 km/h. Τέτοιες θερμές ροές αερίου έχουν παρατηρηθεί κοντά στις πολύ μεγάλες, μη αστρικές, μαύρες τρύπες.

Οι προηγούμενες παρατηρήσεις μερικών υπερβολικά μεγάλων μαύρων οπών από τους δορυφόρους, XMM-Newton, Chandra και ASCA της Ιαπωνίας έχουν δείξει ότι μπορούν να περιστρέφονται κι αυτές επίσης πολύ γρήγορα. Τα πιο πρόσφατα αποτελέσματα που παρουσιάστηκαν από το Miller δείχνουν ότι η χαρακτηριστική γεωμετρία του διαστήματος, γύρω από μια ιδιοπεριστρεφόμενη αστρική μαύρη τρύπα και γύρω από τις υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες, είναι εντυπωσιακά παρόμοια. Οι αστρικές και υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες μπορούν να είναι παρόμοιες και σε άλλες ιδιότητες. Γύρω από τους δύο τύπους μαύρων τρυπών έχουν ανιχνευθεί ισχυροί πίδακες με σωματίδια υψηλής ενέργειας.

Γιατί όμως μερικές αστρικές μαύρες τρύπες περιστρέφονται γρήγορα και άλλες όχι; Μια πιθανότητα είναι ότι οι διαφορές στην ιδιοπεριστροφή οφείλονται στην εποχή της γέννησης τους, όταν δηλαδή καταρρέει ένα ογκώδες άστρο. Μια άλλη πιθανότητα είναι ότι ο ρυθμός περιστροφής εξαρτάται από το πόσο χρόνο η καταβροχθίζει μαύρη τρύπα ύλη από το συνοδό αστέρι της, μια διαδικασία που καθιστά την περιστροφή των μαύρων οπών ακόμη γρηγορότερη. Γιατί το αέριο που ρέει στη μαύρη τρύπα την κάνει να ιδιοπεριστρέφεται.

Οι μαύρες τρύπες με γρηγορότερα περιστροφή, όπως είναι οι XTE J1650-500 και GX 339-4, έχουν αστέρια συνοδούς μικρής μάζας. Αυτά τα σχετικά μακρόβια αστέρια μπορεί να τροφοδοτήσουν τη μαύρη τρύπα για περισσότερο χρόνο, επιτρέποντας σε αυτήν να περιστρέφεται με γρηγορότερους ρυθμούς. Η Cygnus Χ-1 με ένα συνοδό άστρο πολύ μικρής διάρκειας ζωής μπορεί να μην έχει αρκετό χρόνο για να κάνει ιδιοπεριστροφή.