Als draaikolken in de oceaan, draaiende zwarte gaten in de ruimte creëren een kolkende stroom om hen heen. Echter, zwarte gaten creëren geen wervelingen van wind of water. Liever, ze genereren schijven van gas en stof die verhit zijn tot honderden miljoenen graden en die gloeien in röntgenlicht.

Met behulp van gegevens van NASA's Chandra X-ray Observatory en toevallige uitlijningen over miljarden lichtjaren, astronomen hebben een nieuwe techniek ingezet om de spin van vijf superzware zwarte gaten te meten. De materie in een van deze kosmische draaikolken wervelt rond zijn zwarte gat met meer dan ongeveer 70% van de lichtsnelheid.

De astronomen maakten gebruik van een natuurlijk fenomeen dat een zwaartekrachtlens wordt genoemd. Met precies de juiste uitlijning, het buigen van ruimte-tijd door een massief object, zoals een groot sterrenstelsel, kan meerdere afbeeldingen van een ver object vergroten en produceren, zoals voorspeld door Einstein.

In dit laatste onderzoek astronomen gebruikten Chandra en zwaartekrachtlenzen om zes quasars te bestuderen, elk bestaande uit een superzwaar zwart gat dat snel materie opslokt van een omringende accretieschijf. Door zwaartekrachtlenzen van het licht van elk van deze quasars door een tussenliggend sterrenstelsel zijn er meerdere beelden van elke quasar gemaakt, zoals blijkt uit deze Chandra-afbeeldingen van vier van de doelen. Het scherpe beeldvermogen van Chandra is nodig om de meervoudige, lenzen van elke quasar.

De belangrijkste vooruitgang die de onderzoekers in deze studie boekten, was dat ze gebruik maakten van "microlensing, " waar individuele sterren in de tussenliggende, lensing galaxy zorgde voor extra vergroting van het licht van de quasar. Een hogere vergroting betekent dat een kleiner gebied de röntgenstraling produceert.

De onderzoekers gebruikten vervolgens de eigenschap dat een ronddraaiend zwart gat de ruimte meesleept en materie dichter bij het zwarte gat laat draaien dan mogelijk is voor een niet-spinnend zwart gat. Daarom, een kleiner emitterend gebied dat overeenkomt met een krappe baan impliceert over het algemeen een sneller ronddraaiend zwart gat. De auteurs concludeerden uit hun microlensanalyse dat de röntgenstralen uit zo'n klein gebied komen dat de zwarte gaten snel moeten ronddraaien.

De resultaten toonden aan dat een van de zwarte gaten, in de quasar met lens genaamd het "Einstein Cross, " draait om, of bijna op, het maximaal mogelijke tarief. Dit komt overeen met de gebeurtenishorizon, het punt van geen terugkeer van het zwarte gat, draaien met de snelheid van het licht, dat is ongeveer 670 miljoen mijl per uur. Vier andere zwarte gaten in het monster draaien rond, gemiddeld, tegen ongeveer de helft van dit maximale tarief. (De 6e maakte een schatting van de spin niet mogelijk.)

Voor het Einstein Cross is de röntgenstraling afkomstig van een deel van de schijf dat kleiner is dan ongeveer 2,5 keer de grootte van de waarnemingshorizon, en voor de andere 4 quasars komen de röntgenstralen uit een gebied dat vier tot vijf keer zo groot is als de waarnemingshorizon.

Hoe kunnen deze zwarte gaten zo snel ronddraaien? De onderzoekers denken dat deze superzware zwarte gaten waarschijnlijk groeiden door het grootste deel van hun materiaal gedurende miljarden jaren te accumuleren uit een accretieschijf die ronddraaide met een vergelijkbare oriëntatie en richting van spin, in plaats van uit willekeurige richtingen. Als een draaimolen die steeds in dezelfde richting wordt geduwd, de zwarte gaten bleven aan snelheid winnen.

De röntgenstralen die door Chandra worden gedetecteerd, worden geproduceerd wanneer de accretieschijf rond het zwarte gat een wolk van miljoenen graden creëert, of corona, boven de schijf bij het zwarte gat. Röntgenstralen van deze corona weerkaatsen op de binnenrand van de accretieschijf, en de sterke zwaartekrachten nabij het zwarte gat vervormen het gereflecteerde röntgenspectrum, dat is, de hoeveelheid röntgenstralen die bij verschillende energieën wordt gezien. De grote vervormingen die te zien zijn in de röntgenspectra van de quasars die hier zijn bestudeerd, impliceren dat de binnenrand van de schijf dicht bij de zwarte gaten moet zijn, wat verder bewijs geeft dat ze snel moeten draaien.

De quasars bevinden zich op afstanden van 8,8 miljard tot 10,9 miljard lichtjaar van de aarde, en de zwarte gaten hebben een massa tussen 160 en 500 miljoen keer die van de zon. Deze waarnemingen waren de langste ooit gemaakt met Chandra van quasars met zwaartekrachtlenzen, met totale belichtingstijden variërend tussen 1,7 en 5,4 dagen.