De methode maakt gebruik van een getijdenverstoring in een zwart gat:een razend helder moment waarop een zwart gat getijden uitoefent op een passerende ster en deze aan flarden scheurt. Terwijl de ster wordt verstoord door de enorme getijdenkrachten van het zwarte gat, wordt de helft van de ster weggeblazen, terwijl de andere helft rond het zwarte gat wordt geslingerd, waardoor een intens hete accretieschijf van roterend stellair materiaal ontstaat.

Het door MIT geleide team heeft aangetoond dat de schommeling van de nieuw gecreëerde accretieschijf de sleutel is tot het uitwerken van de inherente spin van het centrale zwarte gat.

In een onderzoek dat verschijnt in Nature melden de astronomen dat ze de spin van een nabijgelegen superzwaar zwart gat hebben gemeten door het patroon van röntgenflitsen te volgen die het zwarte gat produceerde onmiddellijk na een getijdenverstoring.

Het team volgde de flitsen gedurende een aantal maanden en kwam tot de conclusie dat ze waarschijnlijk een signaal waren van een helderhete accretieschijf die heen en weer wiebelde terwijl hij werd voortgeduwd en getrokken door de draaiing van het zwarte gat.

Door bij te houden hoe de schommeling van de schijf in de loop van de tijd veranderde, konden de wetenschappers berekenen hoeveel de schijf werd beïnvloed door de rotatie van het zwarte gat, en op zijn beurt, hoe snel het zwarte gat zelf draaide. Uit hun analyse bleek dat het zwarte gat ronddraaide met minder dan 25 procent van de snelheid van het licht – relatief langzaam, net als bij zwarte gaten.

De hoofdauteur van het onderzoek, MIT-onderzoeker Dheeraj "DJ" Pasham, zegt dat de nieuwe methode de komende jaren kan worden gebruikt om de spins van honderden zwarte gaten in het lokale universum te meten. Als wetenschappers de spins van veel nabijgelegen zwarte gaten kunnen onderzoeken, kunnen ze beginnen te begrijpen hoe de zwaartekrachtreuzen zich in de loop van de geschiedenis van het universum hebben ontwikkeld.

‘Door de komende jaren verschillende systemen met deze methode te bestuderen, kunnen astronomen de algehele verdeling van de spins van zwarte gaten schatten en de al lang bestaande vraag begrijpen hoe deze in de loop van de tijd evolueren’, zegt Pasham, lid van het Kavli Institute for Astrophysics van MIT. Ruimteonderzoek.

Tot de co-auteurs van de studie behoren medewerkers van een aantal instellingen, waaronder NASA, de Masaryk Universiteit in Tsjechië, de Universiteit van Leeds, de Universiteit van Syracuse, de Universiteit van Tel Aviv, de Poolse Academie van Wetenschappen en elders.

Versnipperde hitte

Elk zwart gat heeft een inherente draaiing die door zijn kosmische ontmoetingen in de loop van de tijd is gevormd. Als een zwart gat bijvoorbeeld grotendeels door accretie is gegroeid – korte momenten waarop er wat materiaal op de schijf valt, zorgt dit ervoor dat het zwarte gat met vrij hoge snelheden ronddraait. Als een zwart gat daarentegen vooral groeit door samensmelting met andere zwarte gaten, kan elke samensmelting de zaken vertragen als de spin van het ene zwarte gat botst met de spin van het andere.

Terwijl een zwart gat ronddraait, sleept het de omringende ruimte-tijd met zich mee. Dit sleepeffect is een voorbeeld van de Lense-Thirring-precessie, een al lang bestaande theorie die de manieren beschrijft waarop extreem sterke zwaartekrachtvelden, zoals die gegenereerd door een zwart gat, aan de omringende ruimte en tijd kunnen trekken. Normaal gesproken zou dit effect niet duidelijk zichtbaar zijn rond zwarte gaten, omdat de massieve objecten geen licht uitstralen.

Maar de afgelopen jaren hebben natuurkundigen voorgesteld dat wetenschappers, in gevallen zoals tijdens een getijdenverstoring, of TDE, een kans zouden kunnen hebben om het licht van stellair puin te volgen terwijl het wordt rondgesleept. Dan hopen ze misschien de spin van het zwarte gat te meten.

In het bijzonder voorspellen wetenschappers tijdens een TDE dat een ster vanuit elke richting op een zwart gat kan vallen, waardoor een schijf van witgloeiend, versnipperd materiaal ontstaat dat gekanteld of verkeerd uitgelijnd kan zijn ten opzichte van de draaiing van het zwarte gat. (Stel je de accretieschijf voor als een gekantelde donut die rond een donutgat draait dat zijn eigen, aparte draaiing heeft.)

Wanneer de schijf de draaiing van het zwarte gat tegenkomt, wiebelt hij terwijl het zwarte gat hem in lijn trekt. Uiteindelijk neemt het wiebelen af ​​naarmate de schijf zich in de rotatie van het zwarte gat nestelt. Wetenschappers voorspelden dat de wiebelende schijf van een TDE daarom een ​​meetbare signatuur zou moeten zijn van de rotatie van het zwarte gat.

"Maar de sleutel was om de juiste observaties te hebben", zegt Pasham. "De enige manier waarop je dit kunt doen is dat je, zodra er een getijdenverstoring plaatsvindt, een telescoop nodig hebt om dit object heel lang continu te bekijken, zodat je allerlei tijdschalen kunt onderzoeken, van minuten tot minuten. tot maanden."

Een catch met hoge cadans

De afgelopen vijf jaar heeft Pasham gezocht naar getijdenverstoringen die helder genoeg en dichtbij genoeg zijn om snel op te volgen en tekenen van Lense-Thirring-precessie op te sporen. In februari 2020 hadden hij en zijn collega's geluk met de detectie van AT2020ocn, een heldere flits afkomstig van een sterrenstelsel op ongeveer een miljard lichtjaar afstand, dat aanvankelijk in de optische band werd opgemerkt door de Zwicky Transient Facility.

Uit de optische gegevens bleek dat de flits de eerste momenten na een TDE waren. Omdat hij zowel helder als relatief dichtbij was, vermoedde Pasham dat de TDE de ideale kandidaat zou kunnen zijn om te zoeken naar tekenen van wiebelende schijven, en mogelijk de spin van het zwarte gat in het centrum van het gaststelsel te meten. Maar daarvoor zou hij veel meer gegevens nodig hebben.

"We hadden snelle gegevens met een hoog ritme nodig", zegt Pasham. "De sleutel was om dit al vroeg op te vangen, omdat deze precessie, of wiebel, pas vroeg aanwezig zou moeten zijn. Later zou de schijf niet meer wiebelen."

Het team ontdekte dat NASA's NICER-telescoop de TDE kon vangen en maandenlang continu in de gaten kon houden. NICER – een afkorting voor Neutronenster Interior Composition ExploreR – is een röntgentelescoop op het internationale ruimtestation die röntgenstraling rond zwarte gaten en andere extreme zwaartekrachtobjecten meet.

Pasham en zijn collega's bestudeerden NICER's observaties van AT2020ocn gedurende 200 dagen na de eerste detectie van de getijdenverstoring. Ze ontdekten dat de gebeurtenis röntgenstraling uitzond die elke 15 dagen een piek leek te bereiken, gedurende verschillende cycli, voordat deze uiteindelijk verdween.

Ze interpreteerden de pieken als momenten waarop de accretieschijf van de TDE met zijn gezicht naar voren wiebelde en röntgenstralen rechtstreeks naar de telescoop van NICER uitzond, voordat hij weg wiebelde terwijl hij röntgenstralen bleef uitzenden (vergelijkbaar met het elke 15 dagen met een zaklamp naar iemand toe en van hem af zwaaien). ).

De onderzoekers namen dit patroon van wiebelen en verwerkten het in de oorspronkelijke theorie voor de Lense-Thirring-precessie. Op basis van schattingen van de massa van het zwarte gat en die van de verstoorde ster konden ze een schatting maken van de spin van het zwarte gat:minder dan 25 procent van de lichtsnelheid.

Hun resultaten markeren de eerste keer dat wetenschappers observaties van een wiebelende schijf na een getijdenverstoring hebben gebruikt om de rotatie van een zwart gat te schatten. Naarmate nieuwe telescopen zoals het Rubin Observatorium de komende jaren online komen, voorziet Pasham meer mogelijkheden om spins van zwarte gaten vast te stellen.

‘De draaiing van een superzwaar zwart gat vertelt je over de geschiedenis van dat zwarte gat’, zegt Pasham. ‘Zelfs als een klein deel van degenen die Rubin vangt dit soort signaal heeft, hebben we nu een manier om de spins van honderden TDE’s te meten. Dan zouden we een grote uitspraak kunnen doen over hoe zwarte gaten evolueren in de loop van de leeftijd van het universum. "