Ověření rotace supermasivní černé díry – Einsteinova teorie obecné relativity září

Galaxy M87 Černá díra Ukazuje oscilující výtrysk potvrzující jeho rotaci, jak vyplývá z dvou desetiletí dlouhé studie, která je v souladu s předpověďmi Einsteinovy ​​obecné teorie relativity.

Blízká rádiová galaxie M87, která se nachází 55 milionů světelných let od Země a obsahuje černou díru 6,5 miliardkrát větší než Slunce, vykazuje oscilující proudění, které osciluje nahoru a dolů s amplitudou asi 10 stupňů, což potvrzuje existenci černé díry. otvor. zábaly.

Studie, kterou vedl čínský výzkumník Dr. Yuzhou Cui, byla zveřejněna v Příroda 27. září ji provedl mezinárodní tým pomocí celosvětové sítě radioteleskopů.

Prostřednictvím rozsáhlé analýzy dat dalekohledu od roku 2000 do roku 2022 výzkumný tým odhalil 11letý opakující se cyklus v precesi základny výtrysku, jak předpovídá Einsteinova teorie obecné relativity. Studie spojuje dynamiku proudění s centrální supermasivní černou dírou a poskytuje důkaz, že černá díra v M87 rotuje.

Supermasivní jevy černé díry

Supermasivní černé díry ve středu aktivních galaxií – nejnestabilnějších nebeských těles v našem vesmíru – mohou akumulovat obrovské množství hmoty díky své mimořádné gravitační síle a gravitační síle. plazma Výrony, známé jako výtrysky, se blíží rychlosti světla a sahají tisíce světelných let napříč.

Mechanismus přenosu energie mezi supermasivními černými dírami a jejich akrečními disky a relativistickými výtrysky matou fyziky a astronomy již více než století. Převládající teorie naznačuje, že energie by mohla být extrahována z rotující černé díry, což umožňuje, aby část materiálu obklopujícího supermasivní černou díru byla vyvržena s významnou energií. Avšak rotace supermasivních černých děr, zásadní faktor v tomto procesu a nejdůležitější parametr kromě hmotnosti černé díry, nebyla přímo pozorována.

Horní panel: Struktura trysky M87 na 43 GHz na základě pololetních dat stohování pozorovaných od roku 2013 do roku 2018. Bílé šipky označují úhel polohy trysky v každém dílčím grafu. Spodní panel: Nejlepší přizpůsobené výsledky na základě každoročně skládaného obrazu od roku 2000 do roku 2022. Zelené a modré tečky byly získány z pozorování při 22 GHz a 43 GHz. Červená čára představuje nejvhodnější variantu podle iniciativního modelu. Kredit: Yuzhou Cui et al., 2023

Zaměřte se na M87

V této studii se výzkumný tým zaměřil na M87, kde byl v roce 1918 pozorován první pozorovací astrofyzikální výtrysk. Díky jeho blízkosti lze oblasti tvorby výtrysku v blízkosti černé díry podrobně rozlišit pomocí interferometrie s velmi dlouhou základní linií (VLBI). Je také reprezentován zobrazením stínu moderní černé díry pomocí dalekohledu Event Horizon Telescope (EHT). Analýzou dat VLBI z M87 získaných za posledních 23 let tým detekoval periodické prekurzorové výtrysky na své základně, což poskytlo pohled na stav centrální černé díry.

Dynamika a relativita černé díry

Jádrem tohoto objevu je zásadní otázka: Jaká síla ve vesmíru by mohla změnit směr tak silného výtrysku? Odpověď by se mohla skrývat v chování akrečního disku, útvaru spojeného s centrální supermasivní černou dírou.

Jak padající materiál obíhá černou díru díky svému úhlovému momentu hybnosti, vytváří diskovitou strukturu, než se postupně spirálovitě stočí dovnitř, dokud není osudově vtažen do černé díry. Pokud se však černá díra otáčí, má významný vliv na prostoročas, který ji obklopuje, což způsobuje, že blízké objekty jsou taženy podél její rotační osy, což je jev známý jako „frame drag“, který předpověděla Einsteinova obecná teorie relativity. .

Komplexní analýza výzkumného týmu naznačuje, že rotační osa akrečního disku se odchyluje od rotační osy černé díry, což vede k pre-jetu. Detekce tohoto pohybu poskytuje jednoznačný důkaz, že supermasivní černá díra v M87 se skutečně otáčí, což zlepšuje naše chápání podstaty supermasivních černých děr.

„Jsme potěšeni tímto důležitým výsledkem,“ řekl Yuzhou Cui, postdoktorandský výzkumník v Zhejiang Laboratory, výzkumné instituci v Hangzhou, a hlavní autor studie. „Vzhledem k tomu, že nesouosost mezi černou dírou a diskem je relativně malá a doba precese je asi 11 let, je k dosažení tohoto průlomu nezbytný sběr dat s vysokým rozlišením sledující strukturu M87 během dvou desetiletí a komplexní analýza.“

Dr. Kazuhiro Hada z National Astronomical Observatory of Japan dodal: „Po úspěšném zobrazení černé díry v této galaxii pomocí EHT se mezi vědci stalo hlavním problémem, zda se tato černá díra otáčí nebo ne.“ „Nyní se očekávání změnilo v jistotu. Tahle monstrózní černá díra se už točí.“

Budoucí přínosy a implikace

Tato práce využila celkem 170 epoch pozorování získaných východoasijskou sítí VLBI (EAVN), velmi dlouhým základním polem (VLBA), společným polem KVN a VERA (KaVA) a globální východní Asií do Itálie (jídlo) sítě. Celkem se na této studii podílelo více než 20 dalekohledů z celého světa.

K tomuto projektu přispěly i čínské radioteleskopy, včetně čínského 65metrového radioteleskopu Tianma s obrovskou parabolou a vysokou citlivostí na milimetrové vlnové délky. 26metrový radioteleskop v Xinjiang navíc zlepšuje úhlové rozlišení pozorování EAVN. K dosažení tohoto cíle jsou nezbytná vysoce kvalitní data s vysokou citlivostí a vysokým úhlovým rozlišením.

„40metrový radioteleskop Shigatse na Shanghai Astronomical Observatory zlepší milimetrovou zobrazovací schopnost EAVN. Zejména Tibetská náhorní plošina, kde je dalekohled umístěn, má jedny z nejlepších podmínek pro pozorování (submilimetrových) vlnových délek,“ uvedl. “ řekl Prof. Zhiqiang Chen, ředitel Šanghajské astronomické observatoře Čínské akademie věd, řekl: „Splňuje naše očekávání ohledně posílení domácích zařízení pro astronomická pozorování.“

I když tato studie vrhá světlo na tajemný svět supermasivních černých děr, představuje také obrovské výzvy. Struktura akrečního disku a přesný spin supermasivní černé díry M87 jsou stále do značné míry nejisté. Tato práce také předpovídá, že bude více zdrojů s touto konfigurací, což pro vědce představuje výzvu k objevení.

Reference: „Jet tryska připojující se k rotující černé díře v M87“ od 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 R Sawada Satoh, Bongu Won Son, Hiro 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, Kawa-Youguiyu, Jaffrey Hodgson 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, Na Jinqing Wang, Wang, Xiqiang Wang, Bo Xia, Hao Yan, Jae-hwan Yum, Yoshinori Yonekura, Jianping Yuan, Hua Zhang, Rongping Zhao a Yi Zhong, 27. září 2023, Příroda.
doi: 10.1038/s41586-023-06479-6