Zwarte gaten buigen ons begrip van het heelal en de natuurwetten. Terwijl het zwarte gat ronddraait, sleept het de omliggende ruimte mee en geeft het astronomen de kans om enkele van Einsteins voorspellingen over relativiteit te bestuderen.
Het bestaan van zwarte gaten is misschien wel de meest fascinerende voorspelling van Einsteins algemene relativiteitstheorie. Wanneer een massa, zoals een ster, compacter wordt dan een bepaalde limiet, wordt de eigen zwaartekracht zo sterk dat het object instort tot een enkelvoudig punt, een zwart gat. In de populaire geest is deze immense zwaartekrachtbron een plaats waar vreemde dingen gebeuren. En nu heeft een door het Centrum voor Astrofysica geleid team een zwart gat met een stellaire massa gemeten dat zo snel ronddraait - meer dan 950 keer per seconde draait - dat het de voorspelde snelheidslimiet voor rotatie overschrijdt.
"Ik zou zeggen dat dit zwaartekrachtsregime even ver verwijderd is van directe ervaring en kennis als de subatomaire wereld zelf", zegt CfA-astronoom Jeffrey McClintock.
Door een techniek toe te passen om de spin te meten, ontwikkeld door McClintock en CfA-astrofysicus Ramesh Narayan, gebruikte het team NASA's Rossi X-ray Timing Explorer-satellietgegevens om de meest directe bepaling van de spin in het zwarte gat te geven.
McClintock en Narayan leidden een internationale groep bestaande uit Rebecca Shafee, Harvard University Physics Department; Ronald Remillard, Kavli Center for Astrophysics and Space Research, MIT; Shane Davis, University of California, Santa Barbara en Li-Xin Li, Max-Planck Institute for Astrophysics, Duitsland, in dit onderzoek. De resultaten worden gepubliceerd in het nummer van vandaag van het Astrophysical Journal.
'We hebben nu nauwkeurige waarden voor de spinsnelheden van drie zwarte gaten', zegt McClintock. "Het meest opwindende resultaat is ons resultaat voor de microquasar GRS1915 + 105, die een spin heeft die tussen 82% en 100% van de theoretische maximale waarde ligt."
"Dit resultaat heeft grote implicaties voor de verklaring van hoe zwarte gaten stralen uitzenden, voor het modelleren van mogelijke bronnen van gammastraaluitbarstingen en voor de detectie van zwaartekrachtsgolven", zegt theoreticus Narayan.
Waarom geven astronomen om spin?
'In de astronomie wordt een zwart gat volledig beschreven door slechts twee cijfers die de massa en de snelheid waarmee het roteert specificeren', zegt McClintock. 'We weten niets anders dat zo eenvoudig is, behalve een fundamenteel deeltje zoals een elektron of een quark.'
Hoewel astronomen succesvol zijn geweest in het meten van de massa van een zwart gat, vonden ze het veel moeilijker om de tweede fundamentele parameter van een zwart gat, de spin, te meten.
"Inderdaad, tot dit jaar was er voor geen enkel zwart gat een geloofwaardige schatting van de spin", zegt Narayan.
De zwaartekracht van een zwart gat is zo sterk dat het, terwijl het zwarte gat draait, de omringende ruimte meesleurt. De rand van dit draaiende gat wordt de eventhorizon genoemd. Al het materiaal dat de horizon van de gebeurtenis overschrijdt, wordt in het zwarte gat getrokken.
"De spinfrequentie van het zwarte gat die we hebben gemeten, is de snelheid waarmee de ruimtetijd ronddraait of wordt gesleept, precies aan de horizon van het zwarte gat", zegt Narayan.
Het snelle zwarte gat, GRS 1915, is het meest massieve van de 20 röntgenbinaire zwarte gaten waarvoor massa's bekend zijn en weegt ongeveer 14 keer zoveel als de zon. Het staat bekend om zijn unieke eigenschappen, zoals het uitwerpen van materiestralen met bijna de lichtsnelheid en snelle variaties in de röntgenstraling.
In de afgelopen decennia zijn tientallen zwarte gaten ontdekt in binaire röntgensystemen. Een röntgenbinair binair systeem is een systeem waarin twee objecten om elkaar heen draaien, waarbij gas van de ene - een normale ster zoals de zon - gestaag naar de andere wordt overgebracht - in dit geval een zwart gat. Het gas spiraalt op het zwarte gat door een proces dat accretie wordt genoemd. Terwijl het naar binnen spiraalt, warmt het op tot miljoenen graden en straalt het röntgenstralen uit. Het team gebruikte het röntgenspectrum van de aanwasschijf van het zwarte gat om de spin te bepalen.
De techniek is gebaseerd op een belangrijke voorspelling van de relativiteitstheorie: gas dat op een zwart gat wordt geaccumuleerd, straalt alleen uit tot een bepaalde straal die buiten het zwarte gat ligt - buiten de horizon van de gebeurtenis. Binnen deze straal valt het gas te snel in het gat om veel straling te produceren. De kritische straal is afhankelijk van de spin van het zwarte gat, dus het meten van deze straal geeft een directe schatting van de spin. Hoe kleiner de straal, hoe heter de röntgenstralen die door de schijf worden uitgezonden. De temperatuur van de röntgenstralen, in combinatie met de helderheid van de röntgenstraling, geeft de straal die op zijn beurt de spinsnelheid van het zwarte gat geeft.
'Het is echt gaaf om zoiets fundamenteels te kunnen meten', zegt Rebecca Shafee, afgestudeerd aan de natuurkunde-afdeling van de Harvard University. “Onze methode is heel eenvoudig van opzet en gemakkelijk te begrijpen. We hebben het geluk dat we krachtige röntgenobservatoriums zoals de Rossi X-ray Timing Explorer in de ruimte hebben en telescopen op aarde om de metingen uit te voeren die we nodig hebben. ”
De zoektocht naar de oorzaak van gammastraaluitbarstingen, die even de helderste flits in het universum kan zijn, kan worden geholpen door de resultaten van het team. Theoretisch astrofysicus Stan Woosley van de Universiteit van Californië, Santa Cruz, heeft gammastraaluitbarstingen gemodelleerd op basis van de ineenstorting van een massieve ster. Deze modellen zijn echter afhankelijk van het bestaan van zwarte gaten met een zeer hoge spin, die tot nu toe nooit waren bevestigd.
'Dit is buitengewoon belangrijk', zegt Woosley. 'Ik had geen idee dat dergelijke metingen konden worden gedaan.'
De paper concludeert dat GRS 1915 en de andere twee door het team bestudeerde zwarte gaten werden geboren met hun hoge spins. Dat wil zeggen dat de instortende kern van de oorspronkelijke massieve ster zijn impulsmoment in het zwarte gat goot.
"Sinds de gemeenschap vele jaren geleden heeft uitgevonden hoe de massa van een zwart gat moet worden gemeten, is het meten van spin de heilige graal op dit gebied", zegt McClintock. “De techniek die we op GRS 1915 hebben gebruikt, kan worden toegepast op een aantal andere röntgenbinaire bestanden met een zwart gat. We kunnen niet wachten om te zien wat we vinden! ''
"Een van onze goede hoop is dat de black hole-systemen die we bestuderen ook door andere groepen zullen worden bestudeerd met hun favoriete meetmethoden voor spin", zegt Narayan. "Zodra deze andere methoden verder zijn ontwikkeld en betrouwbaarder zijn geworden, zou een kruisvergelijking van resultaten van de verschillende methoden het meest interessant zijn."
Oorspronkelijke bron: CfA News Release
