8 Minutės
Smurtinis žvaigždės suirimasis įvykis, užfiksuotas 2024 metais, suteikė astronomams aiškiausius iki šiol įrodymus, kad juodoji skylė gali pažodžiui pasuktį erdvėlaikį aplink save. Stebėdami sinchronines rentgeno ir radijo osciliacijas iš galaktikos, žinomos kaip LEDA 145386, tyrėjai pastebėjo, kad akrecijos diskas ir reliatyvistinis čiurkšlė (jet) svyruoja taip, kas geriausiai paaiškinama erdvėlaikio tempimo reiškiniu — Lense–Thirring efektu.
Stebėjimai atskleidžia precesuojančią juodąją skylę
2024 m. sausį Zwicky Transient Facility (ZTF) užfiksavo staigų švytėjimo padidėjimą LEDA 145386 galaktikoje, kuri yra maždaug už 400 milijonų šviesmečių nuo Žemės. Optinis blyksnis atitiko potvyninio suirimą (angl. tidal disruption event, TDE) požymius: tai įvykis, kai žvaigždė per arti priartėjusi prie supermasyvios juodosios skylės yra suplėšoma potvyninių jėgų. Šios galaktikos juodosios skylės masė įvertinta apie 5 milijonus Saulės masių — pakankamai didelė, kad reliatyvistiniai efektai, nors ir paprastai subtilūs, galėtų tapti stebimi, kai sistemoje prasideda chaosas.
Po optinio aptikimo astronomai greitai suorganizavo daugiajuostę stebėjimų kampaniją. Rentgeno spektrometrai užfiksavo dramatiškus šviesumo svyravimus kas 19,6 dienos, su srauto (flux) pokyčiais, viršijančiais vieną eilę dydžių. Tuo pačiu periodu radijo emisija iš šaltinio taip pat kylė ir kristėjo — bet su pokyčiais, apimančiais daugiau nei keturias eilutes dydžių. Svarbiausia, kad rentgeno ir radijo modulacijos vyko sinchroniškai.
Tokia sinchronija yra tarsi ginklas tyrime — svarbiausias rodiklis. Rentgeno spinduliuotė daugiausia kyla iš karštų, vidinių akrecijos disko sluoksnių, kai žvaigždės likučiai spiraliuoja link centrinės juodosios skylės; tuo tarpu radijo bangos atsiranda dėl sinchrotroninio spinduliavimo dalelių, skriejančių reliatyvistiniame čiaurksle, paleistame šalia juodosios skylės poliaus. Kai abi juostos sistemingai svyruoja tuo pačiu periodu, tai rodo standžiai susietą diską ir čiurkšlę, kurie kartu precesuoja — sukinėjasi kaip giroskopas aplink juodosios skylės sukimosi ašį.
Kas yra erdvėlaikio tempimas ir kodėl tai svarbu
Erdvėlaikio tempimas, dar vadinamas Lense–Thirring efektu, kyla todėl, kad besisukanti masė tarsi nutempia erdvėlaikį kartu su savimi. Paprasta analogija — maišyti medų šaukštu: medus arčiausiai šaukšto sukasi greičiausiai, o sukimosi poveikis mažėja toliau nuo šaukšto. Žemės atveju erdvėlaikio tempimas buvo išmatuotas labai tiksliais palydovais (pvz., Gravity Probe B), tačiau efektas ten yra labai mažas. Aplink supermasyvią juodąją skylę sukimas sukuria stiprų gravitomagnetinį lauką, galintį sukelti vidinio disko ir aplink esančios materijos sukimosi poslinkius stebimais laiko intervalais.
Šiame TDE modeliai, jungiantys precesuojantį akrecijos diską su čiurkšle, atkartoja stebėtą rentgeno ir radijo osciliacijų amplitudę bei fazę. Kaip bendra pirmųjų autorių komandos narys Yanan Wang iš Kinijos mokslų akademijos paaiškina, „tokių skirtingų bangų juostų, didelės amplitudės ir kvazi-periodinių sinchroninių kitimų aptikimas labai stipriai rodo standžią akrecijos disko ir čiurkšelės dinaminę sąsają, kuri precesuoja kaip giroskopas aplink juodosios skylės sukimosi ašį.“
Astrofizikas Cosimo Inserra iš Kardifo universiteto kontekstualizuoja atradimą: „Tai tikras dovana fizikai, nes patvirtiname daugiau nei prieš šimtą metų prognozuotą reiškinį. Be to, šie stebėjimai praplečia mūsų supratimą apie TDE prigimtį — apie procesus, kai žvaigždė yra išplėšta į gabalus dėl milžiniškų juodosios skylės traukos jėgų.“
Mokslinis kontekstas, metodai ir modeliavimo detalės
TDE įvykiai yra reti ir trumpalaikiai, palyginti su pastoviais akrecijos šaltiniais, tačiau jų pereinamoji ryškumo banga daro juos puikiais laboratoriniais objektais astrofizikai. Kai žvaigždės likučiai susiformuoja į akrecijos diską, dalis medžiagos leidžiasi žemyn ir spinduliuoja rentgeno spektre, tuo tarpu magnetiniai laukai gali nukreipti kitą dalį medžiagos į dvišales čiurkšles, kurios šviečia radijo dažniuose. LEDA 145386 įvykis buvo stebėtas pradėjus nuo optinio aptikimo ZTF, o vėliau sekė koordinuoti rentgeno teleskopų ir radijo observatorijų stebėjimai, leidę mokslininkams išmatuoti laiko koreliacijas, amplitudes ir spektro savybes įvairiose juostose.
Skaičiavimo simuliacijos ir analitiniai Lense–Thirring precesijos modeliai rodo, kad dislokas diskas, kuris yra išstatytas netiesiškai su juodosios skylės sukimosi ašimi, tam tikromis sąlygomis pereis į standžios kūno tipo precesiją. Tokiu atveju diskas ir čiurkšlė gali elgtis kaip sujungtas vienetas, perduodantis sukimosi momentą ir reaguojantis į gravitomagnetinį momentą, kurio dydis priklauso nuo juodosios skylės sukimosi greičio (spin) bei disko geometrijos ir tankio pasiskirstymo.
Pastebėtas 19,6 dienų periodas, disko ir čiurkšelės sąsaja bei milžiniška radijo kintamumo amplitudė kartu atitinka prognozes, kurių galima tikėtis, jei erdvėlaikio tempimas veikia apie ~5 milijonų Saulės masių juodąją skylę. Modeliuose įtraukiamos magnetohidrodinaminės (MHD) sąveikos, dalelių sąveikos sinchrotroniniame spinduliavime ir pernašos laiko vėlinimo mechanizmai tarp diskinių ir čiurkšelės regionų — visi šie procesai gali daryti įtaką stebimai fazei ir spektro variacijai.
Be to, tyrėjai įvertino stebėjimų kampanijos laiko koordinaciją ir instrumentų jautrumą: greita atsako taktika leido fiksuoti signalą keliose juostose tuo pačiu metu, o ilgesnės kampanijos metu buvo galima patvirtinti periodiškumą ir atmesti instrumentinius ar atmosferinius trikdžius kaip sinchroniškumo priežastį. Santiago del Palacio iš Chalmers universiteto apibendrino stebėjimų strategiją: „Kai optinis teleskopas atrado naują TDE, tai sukėlė greitus stebėjimus skirtinguose bangų ilgiuose. Būtent toks operatyvus reagavimas leido mums pamatyti pasikartojantį signalą prieš jam išnykstant.“
Modeliavimas taip pat atsižvelgė į disko vidinių regionų termo- ir radiacinę pusiausvyrą, magnetinių laukų geometriją ir galimus diskų skilimus ar bangavimus (warp). Tokie sujungti stebėjimų duomenys ir teoriniai modeliai leidžia ne tik patvirtinti erdvėlaikio tempimo egzistavimą, bet ir įvertinti juodosios skylės sukimosi parametrus bei diskų fiziką plačiame mastelyje.
Kodėl šis atradimas pažengia gravitacijos fiziką ir astrofiziką
- Išbandymas bendrosios reliatyvumo teorijai: Aptikimas yra realaus laiko demonstracija, kaip erdvėlaikio tempimas veikia ten, kur dominuoja stipri gravitacija — tai papildomas tyrimas šalia gravitacinių bangų detektorių ir juodųjų skylių vaizdavimo bandymų.
- Disko ir čiurkšelės sujungimas: Sinchroniški kitimai rodo glaudų dinaminį ryšį tarp vidinio akrecijos srauto ir čiurkšlės paleidimo regiono, teikdami vertingos informacijos apie čiurkšlių formavimosi mechanizmus ir magnetinių laukų struktūrą.
- Juodosios skylės sukimosi matavimas: Precesijos ypatybės priklauso nuo juodosios skylės sukimosi (spin) ir disko geometrijos; turint daugiau panašių įvykių, mokslininkai galės riboti sukimosi parametrus ir geriau suprasti ramiose galaktikų branduoliuose tykančias supermasyvias juodąsias skyles.
Be tiesioginės mokslo naudos, tyrimas pabrėžia plataus lauko optinių apžvalgų (tokios kaip ZTF ir netolimoje ateityje Vera C. Rubin Observatory) reikšmę TDE ankstyvam aptikimui, taip pat greito, daugiajuosčio požiūrio svarbą naudojant rentgeno observatorijas ir radijo matavimo sąrangas, kad būtų galima užfiksuoti trumpalaikes dinamikas. Toks derinys didina tikimybę užčiuopti retesnius fizinius procesus, suprasti jų laiko raidą ir atverti naujas galimybes juodųjų skylių charakteristikoms nustatyti.
Ekspertų įžvalgos
„Stebėti erdvėlaikio tempimą veikiant — tai paversti teorinę prognozę empirinio įrankio etapu,“ sako dr. Elena Marconi, astrofizikė, specializuojanti aukštos energijos reiškiniuose. „Kiekvienas gerai apimtas TDE ne tik pateikia momentinį reliatyvistinės fizikos vaizdą, bet ir tarnauja kaip laboratorija, kurioje galime matuoti, kaip gimsta čiurkšlės ir kaip jos reaguoja į stiprią gravitaciją.“ Ši mintis pabrėžia, kaip laiko ir spektro duomenų derinys gali atkartoti tiek erdvę, tiek fizinius variklius, valdančius šiuos sprogstamus įvykius.
Praktinis šio tipo stebėjimų privalumas yra tas, kad juos galima taikyti plačiam TDE katalogui: kiekvienas naujas atvejis — tai papildomas duomenų taškas juodosios skylės sukimosi, disko tankio ir magnetinio lauko parametrams apriboti. Tokiu būdu progresas yra kumuliatyvus: su kiekvienu atradimu didėja duomenų bazė, o tai leidžia sukurti labiau apibendrintas hipotezes apie tai, kaip erdvėlaikio tempimas veikia akrecijos ir čiurkšlių mechaniką įvairiuose masės ir sukimosi scenarijuose.
Išvados
LEDA 145386 potvyninis suirimasis įvykis pateikia vieną aiškiausių astrofizikinių pavyzdžių, kuriame besisukanti juodoji skylė pakreipia erdvėlaikį ir verčia diską–čiurkšelę precesuoti. Sinchronizuodami rentgeno ir radijo stebėjimus, astronomai gavo dinamišką bendrosios reliatyvumo demonstraciją ir atvėrė praktinį kelią matuoti juodųjų skylių sukimąsi bei čiurkšlės fiziką naudojant pereinamuosius įvykius. Su naujais apžvalgų teleskopais ir koordinuotomis daugiajuostėmis tinklų stebėjimo programomis ateityje panašūs atradimai turėtų tapti dažnesni — tai suteiks vis turtingesnius gravitacijos bandymus Visatoje.
Galutinė žinia yra tokia: sinchroninės rentgeno ir radijo oscilacijos, užfiksuotos LEDA 145386 TDE metu, ne tik patvirtina erdvėlaikio tempimo egzistavimą ekstremaliose sąlygose, bet ir parodo, kaip kruopščiai suplanuotos stebėjimų kampanijos ir suderinti modeliai gali pavirsti į taktinį instrumentą juodųjų skylių fizikai tirti. Šie rezultatai skatins tolesnius stebėjimus, padės optimizuoti eksperimentines strategijas ir gilins mokslinį supratimą apie reliatyvistinę astrofiziką bei akrecijos procesus aplink supermasyvias juodąsias skyles.
Šaltinis: sciencealert
Palikite komentarą