Чудовищная черная дыра вращается с половиной скорости света

На этом комбинированном снимке, полученном рентгеновской обсерваторией Чандра НАСА и космическим телескопом Хаббла, видны множественные изображения далекого квазара. Данные Chandra использовались для прямого измерения вращения сверхмассивной черной дыры, питающей этот квазар. Авторы и права: Рентгеновский снимок: НАСА / CXC / Мичиганский университет / Р. К. Рейс и др.; Оптический: NASA / STScI

Посмотреть больше.| На этом комбинированном снимке, полученном рентгеновской обсерваторией Чандра НАСА и космическим телескопом Хаббла, видны множественные изображения далекого квазара. Данные Chandra использовались для прямого измерения вращения сверхмассивной черной дыры, питающей этот квазар. Авторы и права: Рентгеновский снимок: НАСА / CXC / Мичиганский университет / Р. К. Рейс и др.; Оптика: NASA / STScI


Ученые из Мичиганского университета впервые измерили скорость вращения сверхмассивной черной дыры на расстоянии 6 миллиардов световых лет от Земли. Они обнаружили, что он вращается со скоростью вдвое меньшей скорости света. Скорость света составляет около 300 000 километров (186 000 миль) в секунду! Кто знал? Может, они все так быстро крутятся. Астрономы Мичиганаопубликованоих выводы онлайн в журналеПрирода5 марта 2014 г.

Эти ученые говорят, что работа дает представление о том, как эти далекие черные дыры и их родительские галактики растут и изменяются с течением времени.


Считается, что сверхмассивные черные дыры скрываются в ядрах большинства, если не всех, галактик. Они в миллионы или миллиарды раз массивнее нашего Солнца и играют важную роль в эволюции галактик.

«История роста сверхмассивной черной дыры закодирована в ее вращении, поэтому исследования спина в зависимости от времени могут позволить нам изучить коэволюцию черных дыр и их родительских галактик», - сказал Марк Рейнольдс, младший научный сотрудник по астрономии в Институте астрономии. Колледж литературы, искусств и наук Мичиганского университета. Рейнольдс является соавтором нового исследования.

Вращение относится как к скорости, так и к направлению вращения черной дыры по отношению к падающим в нее газам. Хотя астрономам уже давно удалось измерить массы черных дыр, определить их спин было намного сложнее. (Спин и масса - это две характеристики, которые они используют для определения черных дыр.)

За последнее десятилетие ученые нашли способы оценить вращение на расстоянии в несколько миллиардов световых лет, но их методы были косвенными и основывались на предположениях.




«Мы хотим иметь возможность вырезать, так сказать, среднего человека при определении вращения черных дыр во Вселенной», - сказал Рубенс Рейс, научный сотрудник по астрономии из Университета штата Мэриленд и первый автор новой статьи.

Им удалось сделать это для черной дыры в центре квазара, известной как RX J1131-1231 (сокращенно RX J1131). Она находится примерно в шести миллиардах световых лет от Земли и возрастом 7,7 миллиарда лет. Квазары, одни из самых ярких и энергичных объектов во Вселенной, состоят из вещества, падающего в сверхмассивные черные дыры. Они излучают энергию и свет с различными длинами волн, включая видимые и рентгеновские лучи.

При нормальных обстоятельствах этот далекий квазар был бы слишком тусклым для изучения. Но исследователи смогли воспользоваться своего рода естественным эффектом телескопа, известным как гравитационное линзирование, и удачным совмещением квазара и гигантской эллиптической галактики, чтобы получить более близкое изображение. Гравитационное линзирование, впервые предсказанное Эйнштейном, происходит, когда гравитация массивных объектов действует как линза, изгибая, искажая и увеличивая свет от более удаленных объектов по мере его прохождения.

«Благодаря этой гравитационной линзе мы смогли получить очень подробную информацию о спектре рентгеновских лучей, то есть количестве рентгеновских лучей, видимых при разных энергиях, от RX J1131», - сказал Рейнольдс. «Это позволило нам получить очень точное значение скорости вращения черной дыры».


Исследователи усилили сигнал своего естественного телескопа с помощью рентгеновской обсерватории НАСА Чандра и телескопа XMM-Newton Европейского космического агентства, чтобы определить, что черная дыра вращается почти вдвое медленнее света. Рентгеновские данные позволили ученым измерить радиус диска вещества, падающего в черную дыру, и по его радиусу они могли определить скорость его вращения.

«По нашим оценкам, рентгеновские лучи исходят из области диска, расположенной примерно в три раза больше радиуса горизонта событий - точки невозврата для падающего вещества», - сказал Джон М. Миллер, доцент астрономии в UM и еще один соавтор статьи. «Черная дыра должна вращаться чрезвычайно быстро, чтобы позволить диску выжить при таком маленьком радиусе».

Измерение вращения далеких черных дыр может помочь исследователям выяснить, растут ли они в результате крупных слияний или небольших эпизодов. Если они растут в основном за счет слияния галактик, они должны питаться постоянным притоком нового материала с одного направления на окружающие их диски, говорится в пресс-релизе НАСА. Это привело бы к быстрому вращению.

Если они прорастут через множество мелких эпизодов, таких как межзвездные газовые облака и звезды, блуждающие слишком близко и падающие внутрь, можно ожидать, что они будут накапливать материал со случайных направлений. Исследователи заявили, что это как карусель, которую толкают вперед и назад, заставит черную дыру вращаться медленнее.


Открытие того, что черная дыра в RX J1131 вращается почти с половиной скорости света, предполагает, что она выросла за счет слияний.

«Способность измерять вращение черной дыры в большом диапазоне космического времени должна дать возможность напрямую изучить, эволюционирует ли черная дыра в ногу со своей родительской галактикой», - сказал Рейс. «Измерение вращения черной дыры RX J1131-1231 является важным шагом на этом пути и демонстрирует метод сборки выборки далеких сверхмассивных черных дыр с помощью существующих рентгеновских обсерваторий».

Через Мичиганский университет