Găurile negre îndoaie înțelegerea Universului și legile fizicii. Pe măsură ce gaura neagră se învârte, trage spațiul înconjurător în jurul ei și oferă astronomilor o oportunitate de a studia unele dintre predicțiile lui Einstein despre relativitate.
Existența găurilor negre este poate cea mai fascinantă predicție a Teoriei Generale a Relativității lui Einstein. Când orice masă, cum ar fi o stea, devine mai compactă decât o anumită limită, propria sa gravitație devine atât de puternică încât obiectul se prăbușește într-un punct singular, o gaură neagră. În mintea populară, această imensitate gravitație este bine un loc unde se întâmplă lucruri ciudate. Și acum, o echipă condusă de Centrul pentru Astrofizică a măsurat o gaură neagră cu masă stelară care se învârte atât de rapid - învârtind de peste 950 de ori pe secundă - încât împinge limita de viteză prevăzută pentru rotire.
„Aș spune că acest regim gravitațional este departe de experiența directă și de cunoașterea lumii subatomice în sine”, spune astronomul CfA, Jeffrey McClintock.
Aplicând o tehnică de măsurare a spinului dezvoltată în comun de către McClintock și astrofizicistul CfA Ramesh Narayan, echipa a folosit datele satelitului Rossi de la NASA cu radiografie din Timing Explorer pentru a oferi cea mai directă determinare încă de rotire a găurii negre.
McClintock și Narayan au condus un grup internațional format din Rebecca Shafee, Departamentul de fizică al Universității Harvard; Ronald Remillard, Centrul Kavli pentru Astrofizică și Cercetare Spațială, MIT; Shane Davis, Universitatea din California, Santa Barbara și Li-Xin Li, Institutul Max-Planck pentru Astrofizică, Germania, în această cercetare. Rezultatele sunt publicate în numărul de astăzi al Jurnalului Astrofizic.
„Acum avem valori exacte pentru viteza de centrifugare a trei găuri negre”, spune McClintock. „Cel mai interesant este rezultatul nostru pentru microquasar GRS1915 + 105, care are un spin care este între 82% și 100% din valoarea maximă teoretică.”
„Acest rezultat are implicații majore pentru explicarea modului în care găurile negre emit jeturi, pentru modelarea posibilelor surse de explozii de raze gamma și pentru detectarea undelor gravitaționale”, spune teoreticianul Narayan.
De ce astronomilor le pasă de spin?
„În astronomie, o gaură neagră este complet descrisă prin doar două numere care precizează masa și cât de rapid se rotește”, spune McClintock. „Nu știm nimic altceva de simplu, cu excepția unei particule fundamentale precum un electron sau un quark.”
Deși astronomii au reușit să măsoare masa găurilor negre, le-a fost mult mai dificil să măsoare cel de-al doilea parametru fundamental al unei găuri negre, rotirea acesteia.
"Într-adevăr, până în acest an, nu a existat o estimare credibilă a centrifugului pentru vreo gaură neagră", spune Narayan.
Gravitatea unei găuri negre este atât de puternică încât, pe măsură ce gaura neagră se învârte, trage de-a lungul spațiului înconjurător. Marginea acestei gauri de filare se numește orizont de eveniment. Orice material care traversează orizontul evenimentului este tras în gaura neagră.
„Frecvența de rotire a găurii negre pe care am măsurat-o este viteza cu care se învârte spațiul-timp sau este târât, chiar la orizontul evenimentului găurii negre”, spune Narayan.
Gaura neagră de mare viteză, GRS 1915, este cea mai masivă dintre cele 20 de găuri negre binare cu raze X pentru care sunt cunoscute mase în prezent, cântărind de aproximativ 14 ori mai mult decât Soarele. Este bine cunoscut pentru proprietățile unice, cum ar fi evacuarea jeturilor de materie la aproape viteza luminii și variații rapide ale emisiilor sale de raze X.
În ultimele decenii, zeci de găuri negre au fost descoperite în sistemele binare cu raze X. Un binar cu raze X este un sistem în care două obiecte orbitează unul în jurul celuilalt, cu gaz de la unul - o stea normală ca Soarele - fiind transferat constant la celălalt - în acest caz, o gaură neagră. Gazul spiralează pe gaura neagră printr-un proces numit accreție. Pe măsură ce intră în spirală, se încălzește până la milioane de grade și radiază razele X. Echipa a utilizat spectrul de raze X al discului de acumulare al găurii negre pentru a determina rotirea acestuia.
Tehnica se bazează pe o predicție cheie a teoriei relativității: gazul care se accelerează pe o gaură neagră radia doar până la o anumită rază care se află în afara găurii negre - în afara orizontului său de eveniment. În această rază, gazul cade prea mult în gaură pentru a produce multă radiație. Raza critică depinde de rotirea găurii negre, astfel încât măsurarea acestei raze oferă o estimare directă a spinului. Cu cât raza este mai mică, cu atât razele X sunt emise de pe disc. Temperatura razelor X, însoțită de luminozitatea razelor X, oferă raza care, la rândul său, dă viteza de rotire a găurii negre.
„Este foarte fain să poți măsura ceva esențial”, spune Rebecca Shafee, care este studentă la Departamentul de Fizică al Universității Harvard. „Metoda noastră este foarte simplă în concept și ușor de înțeles. Avem cu adevărat norocul să avem observatorii cu raze X puternice, cum ar fi Exploratorul de cronometrare cu raze X Rossi în spațiu și telescoape de pe Pământ, pentru a efectua măsurătorile de care avem nevoie.
Căutarea cauzei izbucnirii de raze gamma, care poate fi, pentru o clipă, cea mai strălucitoare clipă din univers, poate fi ajutată de rezultatele echipei. Astrofizicianul teoretic Stan Woosley de la Universitatea din California, Santa Cruz, a modelat explozii de raze gamma bazate pe prăbușirea unei stele masive. Aceste modele depind însă de existența găurilor negre cu rotire foarte mare, care până acum nu au fost niciodată confirmate.
"Acest lucru este extrem de important", spune Woosley. „Nu aveam idee că se pot face astfel de măsurători.”
Lucrarea concluzionează că GRS 1915 și celelalte două găuri negre studiate de echipă s-au născut cu rotiri mari. Adică, miezul prăbușit al stelei masive originale și-a turnat impulsul unghiular în gaura neagră.
„De când comunitatea și-a dat seama cu mulți ani în urmă cum să măsoare masa găurilor negre, măsurarea spinului a fost graalul sfânt în acest domeniu”, spune McClintock. „Tehnica folosită la GRS 1915 poate fi aplicată la o serie de alte binare cu raze X cu găuri negre. Abia așteptăm să vedem ce găsim! ””
„Una dintre speranțele noastre amoroase este ca sistemele de găuri negre pe care le studiem să fie studiate și de alte grupuri, folosind metodele preferate de măsurare a spinului”, spune Narayan. „Odată ce aceste alte metode sunt dezvoltate în continuare și devin mai fiabile, comparația încrucișată a rezultatelor din diferitele metode ar fi cel mai interesant.”
Sursa originală: Comunicat de presă CfA
