Επαλήθευση της περιστροφής μιας υπερμεγέθους μαύρης τρύπας – Η θεωρία της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν λάμπει

Galaxy M87 Μαύρη τρύπα Δείχνει μια ταλαντευόμενη ροή, επιβεβαιώνοντας την περιστροφή της, όπως εξάγεται από μια μελέτη δύο δεκαετιών που ευθυγραμμίζεται με τις προβλέψεις της γενικής θεωρίας της σχετικότητας του Αϊνστάιν.

Ο κοντινός ραδιογαλαξίας M87, που βρίσκεται 55 εκατομμύρια έτη φωτός από τη Γη και περιέχει μια μαύρη τρύπα 6,5 δισεκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από τον Ήλιο, δείχνει μια ταλαντευόμενη ροή που ταλαντώνεται πάνω-κάτω με πλάτος περίπου 10 μοιρών, επιβεβαιώνοντας την ύπαρξη του μαύρου τρύπα. αναδιπλώνεται.

Η μελέτη, με επικεφαλής τον Κινέζο ερευνητή Δρ. Yuzhou Cui, δημοσιεύτηκε στο φύση Στις 27 Σεπτεμβρίου, διεξήχθη από μια διεθνή ομάδα χρησιμοποιώντας ένα παγκόσμιο δίκτυο ραδιοτηλεσκοπίων.

Μέσω εκτενούς ανάλυσης δεδομένων τηλεσκοπίου από το 2000 έως το 2022, η ερευνητική ομάδα αποκάλυψε έναν 11χρονο επαναλαμβανόμενο κύκλο στη μετάπτωση της βάσης του πίδακα, όπως προβλέφθηκε από τη θεωρία της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν. Η μελέτη συνδέει τη δυναμική της ροής με την κεντρική υπερμεγέθη μαύρη τρύπα, παρέχοντας στοιχεία ότι η μαύρη τρύπα στο M87 περιστρέφεται.

Υπερμεγέθη φαινόμενα μαύρης τρύπας

Οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες στο κέντρο των ενεργών γαλαξιών – τα πιο ασταθή ουράνια σώματα στο σύμπαν μας – μπορούν να συσσωρεύσουν τεράστιες ποσότητες ύλης λόγω της εξαιρετικής βαρυτικής τους δύναμης και της βαρυτικής τους δύναμης. πλάσμα αίματος Οι εκροές, γνωστές ως πίδακες, πλησιάζουν την ταχύτητα του φωτός και εκτείνονται σε χιλιάδες έτη φωτός.

Ο μηχανισμός μεταφοράς ενέργειας μεταξύ των υπερμεγέθων μαύρων τρυπών και των δίσκων προσαύξησής τους και των σχετικιστικών πίδακες έχει προβληματίσει τους φυσικούς και τους αστρονόμους για περισσότερο από έναν αιώνα. Η επικρατούσα θεωρία προτείνει ότι η ενέργεια θα μπορούσε να εξαχθεί από μια περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα, επιτρέποντας σε μέρος του υλικού που περιβάλλει την υπερμεγέθη μαύρη τρύπα να εκτιναχθεί με σημαντική ενέργεια. Ωστόσο, η περιστροφή των υπερμεγέθων μαύρων οπών, ένας κρίσιμος παράγοντας σε αυτή τη διαδικασία και η πιο σημαντική παράμετρος εκτός από τη μάζα της μαύρης τρύπας, δεν έχει παρατηρηθεί άμεσα.

Επάνω πάνελ: Δομή πίδακα M87 στα 43 GHz με βάση εξαμηνιαία δεδομένα στοίβαξης που παρατηρήθηκαν από το 2013 έως το 2018. Τα λευκά βέλη υποδεικνύουν τη γωνία θέσης πίδακα σε κάθε δευτερεύον οικόπεδο. Κάτω πλαίσιο: Τα καλύτερα προσαρμοσμένα αποτελέσματα με βάση την ετήσια στοιβαγμένη εικόνα από το 2000 έως το 2022. Οι πράσινες και οι μπλε κουκκίδες λαμβάνονται από παρατηρήσεις στα 22 GHz και 43 GHz, αντίστοιχα. Η κόκκινη γραμμή αντιπροσωπεύει την καλύτερη εφαρμογή σύμφωνα με το μοντέλο πρωτοβουλίας. Πίστωση: Yuzhou Cui et al., 2023

Εστιάστε στο M87

Σε αυτή τη μελέτη, η ερευνητική ομάδα επικεντρώθηκε στο M87, όπου παρατηρήθηκε ο πρώτος παρατηρητικός αστροφυσικός πίδακας το 1918. Χάρη στην εγγύτητά του, οι περιοχές σχηματισμού πίδακα κοντά στη μαύρη τρύπα μπορούν να επιλυθούν λεπτομερώς χρησιμοποιώντας πολύ μεγάλη συμβολομετρία βάσης (VLBI). Αντιπροσωπεύεται επίσης από απεικόνιση της σκιάς της σύγχρονης μαύρης τρύπας χρησιμοποιώντας το τηλεσκόπιο Ορίζοντα Συμβάντων (EHT). Αναλύοντας δεδομένα VLBI από το M87 που αποκτήθηκαν τα τελευταία 23 χρόνια, η ομάδα εντόπισε περιοδικούς πρόδρομους πίδακες στη βάση της, παρέχοντας μια εικόνα για την κατάσταση της κεντρικής μαύρης τρύπας.

Δυναμική και σχετικότητα της μαύρης τρύπας

Στο επίκεντρο αυτής της ανακάλυψης βρίσκεται το κρίσιμο ερώτημα: Ποια δύναμη στο σύμπαν θα μπορούσε να αλλάξει την κατεύθυνση ενός τόσο ισχυρού πίδακα; Η απάντηση θα μπορούσε να κρύβεται στη συμπεριφορά του δίσκου προσαύξησης, ενός σχηματισμού που σχετίζεται με την κεντρική υπερμεγέθη μαύρη τρύπα.

Καθώς το υλικό που πέφτει περιστρέφεται γύρω από τη μαύρη τρύπα λόγω της γωνιακής του ορμής, σχηματίζει μια δομή σαν δίσκο πριν σταδιακά σπειροειδής προς τα μέσα μέχρι να τραβηχτεί μοιραία μέσα στη μαύρη τρύπα. Ωστόσο, εάν μια μαύρη τρύπα περιστρέφεται, ασκεί σημαντική επιρροή στον χωροχρόνο που την περιβάλλει, προκαλώντας την έλξη κοντινών αντικειμένων κατά μήκος του άξονα περιστροφής της, ένα φαινόμενο γνωστό ως «frame drag», το οποίο προβλέφθηκε από τη γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν. .

Η ολοκληρωμένη ανάλυση της ερευνητικής ομάδας υποδηλώνει ότι ο άξονας περιστροφής του δίσκου προσαύξησης αποκλίνει από τον άξονα περιστροφής της μαύρης τρύπας, οδηγώντας σε προ-εκτόξευση. Η ανίχνευση αυτής της κίνησης παρέχει σαφείς αποδείξεις ότι η υπερμεγέθης μαύρη τρύπα στο M87 πράγματι περιστρέφεται, ενισχύοντας την κατανόησή μας για τη φύση των υπερμεγέθων μαύρων τρυπών.

«Είμαστε ικανοποιημένοι με αυτό το σημαντικό αποτέλεσμα», δήλωσε ο Yuzhou Cui, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Zhejiang Laboratory, ένα ερευνητικό ίδρυμα στο Hangzhou, και επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης. «Επειδή η κακή ευθυγράμμιση μεταξύ της μαύρης τρύπας και του δίσκου είναι σχετικά μικρή και η περίοδος μετάπτωσης είναι περίπου 11 χρόνια, η συλλογή δεδομένων υψηλής ανάλυσης που παρακολουθεί τη δομή του M87 για δύο δεκαετίες και η συνολική ανάλυση είναι απαραίτητη για να επιτευχθεί αυτή η σημαντική ανακάλυψη».

Ο Δρ Kazuhiro Hada του Εθνικού Αστρονομικού Παρατηρητηρίου της Ιαπωνίας πρόσθεσε: «Μετά την επιτυχή απεικόνιση της μαύρης τρύπας σε αυτόν τον γαλαξία χρησιμοποιώντας EHT, αν αυτή η μαύρη τρύπα περιστρέφεται ή όχι έχει γίνει μια σημαντική ανησυχία μεταξύ των επιστημόνων». “Τώρα η προσμονή έχει μετατραπεί σε βεβαιότητα. Αυτή η τερατώδης μαύρη τρύπα ήδη περιστρέφεται.”

Μελλοντικές συνεισφορές και επιπτώσεις

Αυτή η εργασία χρησιμοποίησε συνολικά 170 εποχές παρατηρήσεων που αποκτήθηκαν από το Δίκτυο VLBI της Ανατολικής Ασίας (EAVN), το Very Long Baseline Array (VLBA), το Joint Array των KVN και VERA (KaVA) και την παγκόσμια Ανατολική Ασία στην Ιταλία (ΤΡΩΣΙΜΟ) δίκτυο. Συνολικά, περισσότερα από 20 τηλεσκόπια από όλο τον κόσμο συνέβαλαν σε αυτή τη μελέτη.

Τα ραδιοτηλεσκόπια της Κίνας συνέβαλαν επίσης σε αυτό το έργο, συμπεριλαμβανομένου του κινεζικού ραδιοτηλεσκοπίου Tianma μήκους 65 μέτρων με το τεράστιο πιάτο και την υψηλή ευαισθησία σε μήκη κύματος χιλιοστών. Επιπλέον, ένα ραδιοτηλεσκόπιο 26 μέτρων στο Xinjiang βελτιώνει τη γωνιακή ανάλυση των παρατηρήσεων EAVN. Τα δεδομένα υψηλής ποιότητας με υψηλή ευαισθησία και υψηλή γωνιακή ανάλυση είναι απαραίτητα για την επίτευξη αυτού του επιτεύγματος.

“Το ραδιοτηλεσκόπιο Shigatse 40 μέτρων στο Αστρονομικό Παρατηρητήριο της Σαγκάης θα βελτιώσει την ικανότητα απεικόνισης χιλιοστών του EAVN. Ειδικότερα, το Θιβετιανό Οροπέδιο, όπου βρίσκεται το τηλεσκόπιο, έχει μία από τις καλύτερες συνθήκες τοποθεσίας για παρατηρήσεις μήκους κύματος (υπό χιλιοστού). », δήλωσε ο καθηγητής Zhiqiang Chen, Διευθυντής του Αστρονομικού Παρατηρητηρίου της Σαγκάης της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών, είπε ότι ανταποκρίνεται στις προσδοκίες μας να ενισχύσουμε τις εγχώριες εγκαταστάσεις για αστρονομική παρατήρηση.

Ενώ αυτή η μελέτη ρίχνει φως στον μυστηριώδη κόσμο των υπερμεγέθων μαύρων τρυπών, παρουσιάζει επίσης τεράστιες προκλήσεις. Η δομή του δίσκου προσαύξησης και η ακριβής περιστροφή της υπερμεγέθους μαύρης τρύπας M87 είναι ακόμη σε μεγάλο βαθμό αβέβαια. Αυτή η εργασία προβλέπει επίσης ότι θα υπάρχουν περισσότερες πηγές με αυτή τη διαμόρφωση, θέτοντας μια πρόκληση για τους επιστήμονες να ανακαλύψουν.

Αναφορά: «Το ακροφύσιο πίδακα που συνδέεται με μια περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα στο M87» των Yucho Kuei, Kazuhiro Hada, Tomohisa Kawashima, Motoki Kino, Weikang Lin, Yusuke Mizuno, Hyunwook Ru, Markei Honma, Kono Yi, Jintao Yu, Jongho Park, Wu Jiang , Zhiqiang Chen, Evgenia Kravchenko, Juan Carlos Algaba, Xiaoping Cheng, Eli Zhou, Gabriele Giovannini, Marcello Giroletti, Taehyun Jung, Ru Sin Lu, Kotaro Ninuma, Jungwan Oh, Ken Ohsuga, Satoko Sawada Wonyu Satoh, . Takahashi, Meeko Takamura, Fumi Tazaki, Sasha Tripp, Kiyoaki Wajima, Kazunori Akiyama, Tao An, Keiichi Asada, Salvatore Botaccio, Do Young-byun, Lang Kui, Yoshiaki Hagiwara, Tomoya Hirota, Jeffrey Hodgson-Youwagueyu, Kim, Sang Song Lee, Ji-Won Lee, Jeong-Ee Lee, Giuseppe Maccaferri, Andrea Melis, Alexey Melnikov, Carlo Migoni, Si-Jin Oh, Koichiro Sugiyama, Xuezheng Wang, Yingkang Zhang, Zhong Chen, Jo-Yun Hwang, Dong-Kyu Jung, Heo-Ryung Kim, Jeong Suk Kim, Hideyuki Kobayashi, Bin Li, Guangwei Li, Xiaofei Li, Xiong Liu, Qinghui Liu, Xiang Liu, Chung Sik Oh, Tomoaki Aoyama, Duke Jiu Ruo, Jinqing Na Wang, Wang, Xiqiang Wang, Bo Xia, Hao Yan, Jae-hwan Yum, Yoshinori Yonekura, Jianping Yuan, Hua Zhang, Rongping Zhao, Yi Zhong, 27 Σεπτεμβρίου 2023, φύση.
doi: 10.1038/s41586-023-06479-6