Rozwiązując zagadkę spinu czarnych dziur

Rozwiązując zagadkę spinu czarnych dziurOriginal Press Release
Czarne dziury – obszary, pożerające energię i materię – są rozproszone wewnątrz każdej galaktyki.

Czarna dziura w centrum gromady galaktyk wpływa na wszystko co dzieje się w całej gromadzie. Bez dżetów gromady galaktyk wyglądałyby zupełnie inaczej

Dan Evans

„Czarna dziura w centrum gromady galaktyk wpływa na wszystko co dzieje się w całej gromadzie „- mówi Dan Evans z Instytutu Astrofizyki i Badań Kosmicznych Kavli MIT, badający super masywne czarne dziury i ich dżety. Ponieważ dżet ogrzewa gaz w gromadzie spowalnia, a czasami wręcz uniemożliwia powstawanie gwiazd, które rodzą się w wyniku kondensacji i zapadania się zimnych obłoków molekularnych. W ten sposób dżet wpływa na wzrost galaktyk. „Bez dżetów gromady galaktyk wyglądałyby zupełnie inaczej „- dodaje Evans.

Mechanizm powstawania dżetów jest jedną z najważniejszych dotychczas nierozwiązanych zagadek astrofizyki poza galaktycznej. Prace Evansa zbliżają naukowców do odnalezienia odpowiedzi. Od dwóch lat naukowiec porównuje dziesiątki galaktyk, których centralne czarne dziury wytwarzają potężne dżety (galaktyki te określa się mianem AGN – galaktyk o aktywnych jądrach), z galaktykami, które nie generują dżetów. Wszystkie badane czarne dziury – zarówno te posiadające dżety jak i te bez nich – otaczają dyski akrecyjne – materia opadająca ruchem wirowym w kierunku horyzontu zdarzeń. Analizując światło odbite przez dysk akrecyjny czarnej dziury AGN, Evans doszedł do wniosku, że dżety powstają tuż ponad czarnymi dziurami wirującymi w kierunku przeciwnym do kierunku wirowania dysku. Wcześniej Evans wraz ze współpracownikami przedstawił hipotezę, że efekty grawitacyjne wywołane przez spin czarnej dziury mogą odpowiadać za to, które z nich mają dżety. Obecnie naukowiec dostarczył danych obserwacyjnych udowadniających prawdziwość hipotezy – artykuł prezentujący wyniki ukazał się na łamach Astrophysical Journal 10 lutego.

Choć naukowcy wiedzą, że masa czarnej dziury jest powiązana z galaktyką, w której jądrze rezyduje jak do tej pory nie wiedzieli nic na temat jej drugiego podstawowego parametru – spinu. W opublikowanych artykule Evans dowodzi że spin jest w istocie kluczowy dla zrozumienia dynamiki galaktyki macierzystej, bowiem odpowiada za wytwarzanie dżetów, które regulują wzrost tejże galaktyki i przez to wpływają na ewolucję Wszechświata.

„To pierwszy przekonujący przykład galaktyki tego typu widzianej pod kontem, umożliwiającym uzyskanie solidnych wyników „- mówi Patrick Ogle z Caltech, badający AGN. Ogle podkreśla, że teoria Evansa dotycząca wstecznej rotacji należy obecnie do najlepiej wyjaśniających mechanizm wytwarzania dżetów.

Choć od około pięciu lat Evans podejrzewał, że u wstecznie wirujących czarnych dziur z dżetami brakuje wewnętrznej części dysku akrecyjnego dopiero w zeszłym roku postępy w metodach obliczeniowych umożliwiły mu analizę danych zebranych przez obserwatorium Suzaku na przełomie 2007 i 2008 roku. Dane te dostarczyły dowodów słuszności hipotezy. Dzięki nim, wraz ze współpracownikami z CfA oraz Uniwersytetów Yale, Keele i Herfordshire, możliwe było przeprowadzenie analizy widma super masywnej czarnej dziury i jej dżetu zlokalizowanych 800 milionów lat świetlnych w aktywnej galaktyce 3C 33.

Astrofizycy potrafią dostrzec ślady emisji rentgenowskiej z wewnętrznych obszarów dysku, leżących w pobliżu horyzontu zdarzeń, w efekcie świecenia ogrzanego do niezwykle wysokiej temperatury pierścienia nazywanego koroną, leżącego powyżej dysku i emitującego promieniowanie możliwe do rejestracji przez Suzaku. Poza promieniowaniem docierającym bezpośrednio z korony, jego część trafia z korony do dysku akrecyjnego i odbija się od niego tworząc w widmie charakterystyczny wzór nazywany wybrzuszeniem odbicia Comptona.

Zespół Evans nigdy nie wykrył w widmie rentgenowskim 3C 33 wybrzuszenia Comptona co według naukowców stanowi ważny dowód iż dysk akrecyjny czarnych dziur emitujących dżety jest przycięty – nie sięga tak blisko centrum czarnej dziury jak dyski wokół czarnych dziur nie emitujących dżetów. Brak wewnętrznej części dysku oznacza, iż nie ma materii, która odbijałaby promieniowanie dlatego w widmie widoczna jest tylko bezpośrednia rentgenowska emisja korony.

Naukowcy sądzą, że ów brak może wynikać właśnie z wstecznego kierunku rotacji czarnej dziury, która wypycha wewnętrzną część materii jako efekt grawitacyjnego oddziaływania mas albo efektów ogólnej teorii względności. Brak ów tworzy przerwę pomiędzy dyskiem a czarną dziurą prowadząc do nakładania się pól magnetycznych, które dostarczają energii napędzającej dżet.

Choc Ogle sądzie iż teoria wstecznej rotacji dobrze wyjaśnia obserwacje Evansa, jednak podkreśla, że daleko jeszcze do jej potwierdzenia. Co więcej koniecznych jest więcej obserwacji zgodnych z teorią, aby przekonać środowisko naukowe.

W sierpniu 2011 roku planowane jest umieszczenie na orbicie obserwatorium NASA NuSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope Array) – które będzie od 10 do 50 razy bardziej czułe w obszarze widma Comptona. Pozwoli ono astronomom na badanie większej liczby super masywnych czarnych dziur i, jak mówi Evans, -” całkowicie zrewolucjonizuje sposób w jaki patrzymy na rentgenowskie widma AGN.”

Źródła:

Unraveling black hole spin

Retrograde spin of supermassive black holes may create jets that control galaxy evolution

Scattered throughout every galaxy are black holes, regions that gobble up matter and energy. Although we can’t see black holes, scientists can infer their size, location and other properties by using sensitive telescopes to detect the heat they generate. This heat, which we see as X-rays, is produced as material spirals around a black hole faster and faster until it reaches a point of no return — the “event horizon” — from which nothing, not even light, can escape.

In addition to a galaxy’s collection of black holes, which includes black holes up to 10 times the sun’s mass, there is a supermassive black hole embedded in the heart of each galaxy that is roughly one million to one billion times the mass of the sun. About 10 percent of these giant black holes feature jets of plasma, or highly ionized gas, that extend perpendicularly from each side of the event horizon. By spewing huge amounts of mostly kinetic energy, or energy created by motion, from the black holes into the universe, the jets affect how stars and other bodies form, and play a crucial role in the evolution of clusters of galaxies, the largest structures in the universe.

“This black hole in the center of the cluster is affecting everything else in that cluster,” said Dan Evans, a postdoctoral researcher at MIT Kavli Institute for Astrophysics and Space Research (MKI), who studies supermassive black holes and their jets. Because a jet gently heats the gas it carries throughout a galaxy cluster, it can slow and even prevent stars, which are created by the condensation and collapse of cool molecular gas, from forming, thereby affecting the growth of galaxies, Evans explained. “Without these jets, clusters of galaxies would look very different.”

How these jets form remains one of the most important unsolved mysteries in extragalactic astrophysics. Now Evans may be one step closer to unlocking that mystery.

The importance of spin

For two years, Evans has been comparing several dozen galaxies whose black holes host powerful jets (these galaxies are known as radio-loud active galactic nuclei, or AGN) to those galaxies with supermassive black holes that do not eject jets. All black holes — those with and without jets — feature accretion disks, the clumps of dust and gas rotating just outside the event horizon. By examining the light reflected in the accretion disk of an AGN black hole, he concluded that jets may form right outside black holes that have a retrograde spin — or which spin in the opposite direction from their accretion disk. Although Evans and a colleague recently hypothesized that the gravitational effects of black hole spin may have something to do with why some have jets, Evans now has observational results to support the theory in a paper published in the Feb. 10 issue of the Astrophysical Journal.

While researchers know that the mass of a black hole is intimately linked to the galaxy in which it is located, they have, until now, known little about the role of its second fundamental property — spin. With this paper, Evans asserts that spin is crucial to understanding the dynamics of a black hole’s host galaxy because it may actually create the jet that regulates the growth of that galaxy and the universe.

“It’s the first convincing galaxy of this type seen at this angle where the result is pretty robust,” said Patrick Ogle, an assistant research scientist at the California Institute of Technology, who studies AGN. Ogle believes Evans’s theory regarding retrograde spin is among the best explanations he has heard for why some AGN contain a super-massive black hole with a jet and others don’t.

Although Evans has suspected for nearly five years that retrograde black holes with jets are missing the innermost portion of their accretion disk, it wasn’t until last year that computational advances meant that he could analyze data collected between late 2007 and early 2008 by the Suzaku observatory, a Japanese satellite launched in 2005 with collaboration from NASA, to provide an example to support the theory. With these data, Evans and colleagues from the Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Yale University, Keele University and the University of Hertfordshire in the United Kingdom analyzed the spectra of a supermassive black hole with a jet located about 800 million light years away in an AGN named 3C 33.

Astrophysicists can see the signatures of X-ray emission from the inner regions of the accretion disk, which is located close to the edge of a black hole, as a result of a super hot atmospheric ring called a corona that lies above the disk and emits light that an observatory like Suzaku can detect. In addition to this direct light, a fraction of light passes down from the corona onto the black hole’s accretion disk and is reflected from the disk’s surface, resulting in a spectral signature pattern called the Compton reflection hump, also detected by Suzaku.

But Evans’ team never found a Compton reflection hump in the X-ray emission given off by 3C 33, a finding the researchers believe provides crucial evidence that the accretion disk for a black hole with a jet is truncated, meaning it doesn’t extend as close to the center of the black hole with a jet as it does for a black hole that does not have a jet. The absence of this innermost portion of the disk means that nothing can reflect the light from the corona, which explains why observers only see a direct spectrum of X-ray light.

The researchers believe the absence may result from retrograde spin, which pushes out the orbit of the innermost portion of accretion material as a result of general relativity, or the gravitational pull between masses. This absence creates a gap between the disk and the center of the black hole that leads to the piling of magnetic fields that provide the force to fuel a jet.

While Ogle believes that the retrograde spin theory is a good explanation for Evans’s observations, he said it is far from being confirmed, and that it will take more examples with consistent results to convince the astrophysical community.

The field of research will expand considerably in August 2011 with the planned launch of NASA’s Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR) satellite, which is 10 to 50 times more sensitive to spectra and the Compton reflection hump than current technology. NuSTAR will help researchers conduct a “giant census” of supermassive black holes that “will absolutely revolutionize the way we look at X-ray spectra of AGN,” Evans explained. He plans to spend another two years comparing black holes with and without jets, hoping to learn more about the properties of AGN. His goal over the next decade is to determine how the spin of a supermassive black hole evolves over time.

Written by admin

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *