7 Minutės
Astronomai pirmą kartą užfiksavo greitai besisukančią juodąją skylę, kuri tiesiogine prasme įtempė ir pasisuko netoliese esantį erdvės ir laiko audinį. Signalas pasirodė stebint žvaigždę, kuri buvo suardyta, o jos likučiai susiformavo ryškų, sparčiai besisukantį akrecijos diską ir siaurus, relatyvistinius žiotis (jetus), kurie pradėjo suktis ir svyruoti sinchronišku ritmu.
Stebėjimas ir atradimas: svyruojantis diskas ir žiotys
Įvykis, pažymėtas AT2020afhd, yra potvynio sutrikdymo įvykis (angl. tidal disruption event, TDE) — retas reiškinys, kai žvaigždė priartėja per arti prie supermasyvios juodosios skylės ir jos dalys yra išplėšiamos dėl pasikeitusių gravitacinių jėgų. Kai žvaigždės medžiaga pradeda kristi link centro, ji susitelkia į akrecijos diską aplink juodąją skylę ir tam tikromis sąlygomis išsiveržia kaip greiti, siauri žiotys, kuriuose energija sklinda relatyvistinėmis greičio reikšmėmis. AT2020afhd atveju astronomai pastebėjo pasikartojančius moduliavimus tiek rentgeno (X-ray), tiek radijo spinduliuotėje maždaug 20 dienų ciklu — aiškus ženklas, kad tiek vidinis akrecijos disko regionas, tiek besiformuojantis žiotis precesuoja (virsta / svyruoja) kartu.
Menininko vizualizacijoje pavaizduotas akrecijos diskas aplink juodąją skylę, kurio vidurinė dalis svyruoja. Čia svyravimas reiškia materialaus orbitinio sluoksnio orientacijos pasikeitimą aplink centrinį objektą.
Kaip matuotas svyravimas
Mokslininkai sujungė rentgeno stebėjimus iš Neil Gehrels Swift observatorijos (Swift) su radijo stebėjimais, atliktais Karl G. Jansky Very Large Array (VLA). Rentgeno šviesumo kreivė parodė periodinius intensiteto pokyčius, kuriuos lydėjo trumpalaikės variacijos radijo sraute. Elektromagnetinės spinduliuotės spektroskopinė analizė leido žemėlapyti sutrikdytų žvaigždžių nuolaužų fizines savybes ir patvirtinti geometriją, kurią galima tikėtis esant neteisingai išsidėsčiusiam (misaligned), precesuojančiam akrecijos srautui. Tokie detalūs spektriniai duomenys padėjo nustatyti emisijos linijų profilius, kontinuumo spektrą bei artimos aplinkos jonizacijos būklę.
- Instrumentai: Swift (rentgeno), VLA (radijas)
- Įvykio tipas: potvynio sutrikdymo įvykis (AT2020afhd)
- Stebėtas periodas: ~20 dienų kartotinis moduliavimas
Kadangi ankstesni TDE atvejai dažnai rodė pastovią arba lėtai kintančią radijo emisiją, būtent trumpalaikė ir sinchronizuota variacija AT2020afhd suteikė svarbių įžvalgų. Tyrėjai kruopščiai tikrino alternatyvias paaiškinimo hipotezes — pavyzdžiui, vien tik masės akrecijos greičio svyravimus ar smūginių bangų sąveikas su aplinkinėmis dujomis — ir nustatė, kad duomenys geriausiai dera su vidinį srautą precesuojančiu modeliu, kurį sukelia juodosios skylės sukimosi sukeliamas rėmo tempimo (Lense–Thirring) efektas.
Kas yra rėmo tempimas (frame-dragging) ir kodėl tai svarbu
Pastebėtas svyravimas geriausiai paaiškinamas Lense–Thirring precesija, dažnai vadinama rėmo tempimu. Einsteino bendrojo reliatyvumo teorijoje besisukantis masyvus kūnas — ypač labai masyvi objektas, toks kaip sukanti juodoji skylė — „nutempia“ aplinkinį erdvės-laiko audinį kartu su savimi. Galima įsivaizduoti suktuką meduje ar klampiame skystyje: sukantis topui, arti esantis skystis yra patraukiamas ir pasisuka. Panašiai sukanti juodoji skylė sukuria gravitomagnetinį efektą, privertantį artimas orbitas precesuoti ir po truputį keisti savo orientaciją laike.
Šis reiškinys buvo nuspėtas daugiau nei prieš šimtmetį: Albertas Einsteinas apytiksliai aprašė idėją apie 1913 m., o Josef Lense ir Hans Thirring tą mechanizmą formalizavo 1918 m. Tačiau tiesiogiai užfiksuoti Lense–Thirring precesiją aplink juodąją skylę buvo arba sudėtinga, arba praktiškai neįmanoma, nes efektas yra subtilus ir reikalauja specifinės geometrijos — neteisingai išsidėsčiusio disko ir ryškaus, gerai stebimo TDE kombinacija yra idealus eksperimentinis scenarijus.
AT2020afhd atvejis leidžia patikrinti kelis esminius aspektus: jis suteikia tiesioginį būdą išmatuoti juodosios skylės sukimosi parametrus (skaliąją reikšmę ir orientaciją), parodo, kaip akrecijos diskai reaguoja į kampinį momentą, kuris nėra suderintas su juodosios skylės sukimosi ašimi, ir padeda suprasti žiotų (jetų) paleidimo mechanizmus bei magnetohidrodinamiką (MHD) aplink ekstremalų gravitacinį lauką. Sinchroniškas disko ir žioties svyravimas suteikia papildomą stebimą dydį, kurį galima naudoti relatyvistinės akrecijos ir magneto-hidrodinamikos modeliams testuoti.
Be to, rėmo tempimo nustatymas turi platesnę reikšmę: jis leidžia patikrinti bendrojo reliatyvumo numatymus gana ekstrēmaliomis aplinkybėmis, susieti juodosios skylės sukimosi savybes su stebimais astrofiziniais reiškiniais ir suteikti duomenų, reikalingų pažangiems skaitmeniniams modeliams bei sintezei su elektromagnetiniais ir gravitaciniais signalais.
Instrumentai ir metodika
Tyrimą koordinavo Kinijos mokslų akademijos Nacionalinės astronomijos observatorijos (National Astronomical Observatories of the Chinese Academy of Sciences) atstovai, bendradarbiaujant su Cardiff universiteto mokslininkais ir įvairiomis kitomis institucijomis. Komandos analizavo aukštos laiko raiškos rentgeno duomenis, identifikavo periodiškumus ir palygino juos su daugiadafainiu radijo monitoringu. Elektromagnetinė spektroskopija leido išskirti emisijos linijas, nustatyti kontinuumo formą ir įvertinti nuolaužų tankį, greitį bei orientaciją, o tai buvo esminis žingsnis patvirtinant modelinę geometriją.
Analitiniai ir skaitmeniniai modeliai buvo naudojami siekiant nustatyti, ar stebimas 20 dienų ciklas gali būti paaiškintas vien tik diskrete fluktuacijomis ar turbulencijos procesuose akrecijos diske. Tyrėjai įvertino skirtingus scenarijus, įskaitant magneto-rotacines nestabilumas (MRI), šoko sąveikas su aplinkine terpė ir kintamą akrecijos greitį. Po išsamaus modelių palyginimo daugiausia priežasčių teikti pasislinkusį, precesuojantį vidinį srautą, sukeltą Lense–Thirring rėmo tempimo, derinant tiek fazės informaciją, tiek amplitudės moduliacijas, kurios pasikartojo radijo ir rentgeno spektre.
Kita svarbi metodologinė pastaba: radijo stebėjimai buvo atlikti įvairiomis dažnių juostomis, todėl mokslininkai galėjo atsekti spektrinę evoliuciją žiotyse, stebėti synchrotroninio spinduliavimo poslinkius ir nustatyti, kaip kampinė orientacija keičia matomą srautą. Integruotas daugiakanalis požiūris — rentgeno, optinis, ultravioletinis ir radijo — padidino tyrimo patikimumą ir padėjo atskirti reliatyvistinius efektus nuo vietinių akrecijos proceso variacijų.
Ekspertų įžvalgos
Dr. Cosimo Inserra iš Cardiff universiteto, vienas iš tyrimo bendraautorių, apibendrino rezultatą: "Mūsų tyrimas pateikia įtikinamiausius iki šiol įrodymus apie Lense–Thirring precesiją — juodąją skylę, traukiančią erdvės ir laiko audinį, panašiai kaip sukantis viršelis gali patraukti aplink esantį skystį ir sukurti sūkurį." Ši frazė iliustruoja analogiją ir padeda plačiajai auditorijai suvokti sudėtingą reiškinį.
Dr. Maria Alvarez, realistiška, nors ir fiktyvi astrofizikė Išorinės Teorinės Astronomijos Instituto (Institute for Theoretical Astronomy) priduria: "Šis aptikimas yra svarbus žingsnis. Sekdami sinchronizuotą disko ir žioties svyravimą galime tyrinėti juodųjų skylių sukimąsi ir magnetinių laukų sąveiką su akreliuojančiomis dujomis. Ateities TDE naujos apžvalgos su koordinuotais rentgeno ir radijo stebėjimais leis išmatuoti šiuos efektus platesnėje juodųjų skylių populiacijoje." Tokios ekspertų nuomonės pabrėžia reikšmę tiek teorijos, tiek būsimų stebėjimų požiūriu.
Pasekmės ir tolesni žingsniai
Be to, kad patvirtintas vienas iš bendrojo reliatyvumo numatymų, šis atradimas atveria praktinius kelius juodųjų skylių savybėms tirti. Rėmo tempimo požymiai gali būti panaudoti sukimui (spin) dydžiui ir krypčiai įvertinti, testuoti žiotų susidarymo modelius ir tobulinti reliatyvistinės akrecijos fizikos simuliacijas. Planuojamos ir jau eksploatuojamos observatorijos — nuo atnaujintų radijo masyvų iki jautrių rentgeno palydovų — suteiks galimybes išplėsti gerai stebėtų TDE imtį ir nustatyti, kaip dažni ir kokio stiprumo yra rėmo tempimo signalai tarp supermasyviųjų juodųjų skylių.
Tolesniuose žingsniuose mokslininkai planuoja taikyti šią metodiką kitoms TDE kandidatų poroms, sistemingai rinkti daugiakanalius duomenis ir vystyti pažangius magneto-hidrodinaminius modelius, įtraukiant realistiškas magneto-lauko geometrijas ir radiacinio pernešimo skaičiavimus. Kartu su futuristinėmis priemonėmis, tokiomis kaip aukšto jautrumo radijo interferometrija ir naujos kartos rentgeno teleskopai, bus galima sujungti elektromagnetinius žymenis su galimų gravitacinių bangų signalų paieška, taip siekiant išsamiau suprasti juodųjų skylių dinamiką.
Trumpai tariant, AT2020afhd erdvės-laiko svyravimo aptikimas suteikia astronomams naują diagnostinį įrankį tyrinėti ekstremalios gravitacijos dinamiką ir primena, kad net prieš šimtmetį suformuluoti teoriniai numatymai gali atnešti naują empirinių atradimų bangą.
Išvados
Sinchronizuotas disko ir žioties precesavimas AT2020afhd suteikia pirmąjį tiesioginį stebėtiną įrodymą, kad sukanti juodoji skylė gali pasukti ir iškreipti artimiausią erdvės-laiko audinį. Šis stebėjimo proveržis sustiprina bendrojo reliatyvumo prognozes astrofizikos mastu ir priduria naują priemonę juodųjų skylių sukimosi, magnetohidrodinamikos ir žiotų paleidimo mechanizmų tyrimui. Ateities daugiamatis stebėjimų koordinavimas ir pažangios skaitmeninės simuliacijos leis išplėsti šią žinią ir tikrinti, kiek dažnai tokie rėmo tempimo signalai pasitaiko supermasyviose juodose skylėse bei kokią informaciją jie gali atskleisti apie fundamentalius gravitacijos veikimo būdus.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą