Het verifiëren van de rotatie van een superzwaar zwart gat: Einsteins algemene relativiteitstheorie schittert

Schematische weergave van het gekantelde accretieschijfmodel. In deze illustratie wordt verondersteld dat de draai-as van het zwarte gat recht op en neer loopt. De richting van de straal wijst ongeveer loodrecht op het vlak van de schijf. De verkeerde uitlijning tussen de draai-as van het zwarte gat en de draai-as van de schijf zorgt ervoor dat de schijf draait en straalt. Krediet: Yuzhou Cui et al. (2023), Intouchable Lab@Openverse en Zhejiang Lab

Melkwegstelsel M87 Zwart gat Het toont een oscillerende jet, die de rotatie ervan bevestigt, zoals blijkt uit een twintig jaar durende studie die aansluit bij de voorspellingen van Einsteins algemene relativiteitstheorie.

Het nabijgelegen radiostelsel M87, dat zich 55 miljoen lichtjaar van de aarde bevindt en een zwart gat bevat dat 6,5 miljard keer groter is dan de zon, vertoont een oscillerende stroom die op en neer oscilleert met een amplitude van ongeveer 10 graden, wat het bestaan ​​van het zwarte gat bevestigt. gat. wikkels.

De studie, geleid door de Chinese onderzoeker Dr. Yuzhou Cui, werd gepubliceerd in natuur Op 27 september werd deze uitgevoerd door een internationaal team dat gebruik maakte van een wereldwijd netwerk van radiotelescopen.

Door uitgebreide analyse van telescoopgegevens van 2000 tot 2022 onthulde het onderzoeksteam een ​​elfjarige terugkerende cyclus in de precessie van de basis van het straalvliegtuig, zoals voorspeld door Einsteins algemene relativiteitstheorie. Het onderzoek koppelt de stromingsdynamiek aan het centrale superzware zwarte gat, wat bewijs levert dat het zwarte gat in M87 roteert.

Superzwaar zwart gat-fenomeen

Superzware zwarte gaten in het centrum van actieve sterrenstelsels – de meest onstabiele hemellichamen in ons universum – kunnen enorme hoeveelheden materie accumuleren vanwege hun buitengewone zwaartekracht en zwaartekracht. plasma De uitstromen, bekend als jets, naderen de snelheid van het licht en strekken zich duizenden lichtjaren uit.

Het mechanisme van energieoverdracht tussen superzware zwarte gaten en hun accretieschijven en relativistische jets houdt natuurkundigen en astronomen al meer dan een eeuw voor raadsels. De heersende theorie suggereert dat energie kan worden onttrokken aan een roterend zwart gat, waardoor een deel van het materiaal rond het superzware zwarte gat met aanzienlijke energie kan worden uitgestoten. De spin van superzware zwarte gaten, een cruciale factor in dit proces en de belangrijkste parameter naast de massa van het zwarte gat, is echter niet rechtstreeks waargenomen.

Bovenpaneel: M87-jetstructuur op 43 GHz, gebaseerd op halfjaarlijkse stapelgegevens waargenomen tussen 2013 en 2018. Witte pijlen geven de jetpositiehoek in elke subplot aan. Onderste paneel: best passende resultaten gebaseerd op de jaarlijks gestapelde afbeelding van 2000 tot 2022. De groene en blauwe stippen zijn verkregen uit waarnemingen op respectievelijk 22 GHz en 43 GHz. De rode lijn vertegenwoordigt de beste fit volgens het initiatiefmodel. Krediet: Yuzhou Cui et al., 2023

Focus op M87

In deze studie concentreerde het onderzoeksteam zich op M87, waar in 1918 de eerste observationele astrofysische straal werd waargenomen. Dankzij de nabijheid kunnen de straalvormingsgebieden nabij het zwarte gat in detail worden opgelost met behulp van zeer lange basislijninterferometrie (VLBI). Het wordt ook weergegeven door beeldvorming van de schaduw van het moderne zwarte gat met behulp van de Event Horizon Telescope (EHT). Door de VLBI-gegevens van M87, die de afgelopen 23 jaar zijn verzameld, te analyseren, heeft het team periodieke precursorjets aan de basis gedetecteerd, waardoor inzicht werd verkregen in de toestand van het centrale zwarte gat.

Dynamiek en relativiteit van zwarte gaten

De kern van deze ontdekking ligt in de cruciale vraag: welke kracht in het universum zou de richting van zo’n krachtig straalvliegtuig kunnen veranderen? Het antwoord zou verborgen kunnen liggen in het gedrag van de accretieschijf, een formatie die verband houdt met het centrale superzware zwarte gat.

Terwijl het vallende materiaal vanwege zijn impulsmoment rond het zwarte gat draait, vormt het een schijfachtige structuur voordat het geleidelijk naar binnen spiraalt totdat het op fatale wijze in het zwarte gat wordt getrokken. Als een zwart gat echter roteert, oefent het een aanzienlijke invloed uit op de ruimtetijd eromheen, waardoor nabije objecten langs zijn rotatieas worden getrokken, een fenomeen dat bekend staat als ‘frame drag’, en dat werd voorspeld door Einsteins algemene relativiteitstheorie. .

De uitgebreide analyse van het onderzoeksteam suggereert dat de rotatie-as van de accretieschijf afwijkt van de rotatie-as van het zwarte gat, wat leidt tot een pre-jet. De detectie van deze beweging levert ondubbelzinnig bewijs dat het superzware zwarte gat in M87 inderdaad roteert, wat ons begrip van de aard van superzware zwarte gaten vergroot.

“We zijn blij met dit belangrijke resultaat”, zegt Yuzhou Cui, een postdoctoraal onderzoeker bij het Zhejiang Laboratory, een onderzoeksinstelling in Hangzhou, en hoofdauteur van het onderzoek. “Omdat de verkeerde uitlijning tussen het zwarte gat en de schijf relatief klein is en de precessieperiode ongeveer elf jaar bedraagt, is het verzamelen van gegevens met hoge resolutie over de structuur van M87 gedurende twintig jaar en is uitgebreide analyse nodig om deze doorbraak te bewerkstelligen.”

Dr. Kazuhiro Hada van het National Astronomical Observatory of Japan voegde hieraan toe: “Nadat we met succes het zwarte gat in dit sterrenstelsel in beeld hebben gebracht met behulp van EHT, is de vraag of dit zwarte gat roteert of niet een grote zorg onder wetenschappers geworden.” “Nu is de verwachting veranderd in zekerheid. Dit monsterlijke zwarte gat draait al.”

Toekomstige bijdragen en implicaties

Dit werk maakte gebruik van in totaal 170 tijdperken van waarnemingen verkregen door het East Asia VLBI Network (EAVN), de Very Long Baseline Array (VLBA), de Joint Array van KVN en VERA (KaVA), en het mondiale Oost-Azië tot Italië. (EET) netwerk. In totaal hebben meer dan twintig telescopen van over de hele wereld bijgedragen aan dit onderzoek.

De Chinese radiotelescopen hebben ook aan dit project bijgedragen, waaronder de Chinese 65 meter lange Tianma-radiotelescoop met zijn enorme schotel en hoge gevoeligheid voor millimetergolflengten. Bovendien verbetert een 26-meter radiotelescoop in Xinjiang de hoekresolutie van EAVN-waarnemingen. Gegevens van hoge kwaliteit met een hoge gevoeligheid en een hoge hoekresolutie zijn essentieel om deze prestatie te bereiken.

“De 40 meter lange Shigatse-radiotelescoop van het Shanghai Astronomical Observatory zal de millimeterbeeldvormingsmogelijkheden van de EAVN verbeteren. Met name het Tibetaanse plateau, waar de telescoop zich bevindt, heeft een van de beste locatieomstandigheden voor (sub-millimeter) golflengtewaarnemingen, Prof. Zhiqiang Chen, directeur van het Shanghai Astronomical Observatory van de Chinese Academie van Wetenschappen, zei: “Het voldoet aan onze verwachtingen van het versterken van binnenlandse faciliteiten voor astronomische observatie.”

Hoewel dit onderzoek licht werpt op de mysterieuze wereld van superzware zwarte gaten, brengt het ook enorme uitdagingen met zich mee. De structuur van de accretieschijf en de exacte spin van het superzware zwarte gat M87 zijn nog grotendeels onzeker. Dit werk voorspelt ook dat er meer bronnen met deze configuratie zullen zijn, wat een uitdaging voor wetenschappers vormt om te ontdekken.

Referentie: “Het straalmondstuk dat aansluit op een roterend zwart gat in M87” door Yucho Kuei, Kazuhiro Hada, Tomohisa Kawashima, Motoki Kino, Weikang Lin, Yusuke Mizuno, Hyunwook Ru, Markei Honma, Kono Yi, Jintao Yu, Jongho Park, Wu Jiang, Zhiqiang Chen, Evgenia Kravchenko, Juan Carlos Algaba, Xiaoping Cheng, Eli Zhou, Gabriele Giovannini, Marcello Giroletti, Taehyun Jung, Ru Sin Lu, Kotaro Ninuma, Jungwan Oh, Ken Ohsuga, Satoko Sawada Satoh, Bong Won Son, Hiroyuki R Takahashi, Meeko Takamura, Fumi Tazaki, Sasha Tripp, Kiyoaki Wajima, Kazunori Akiyama, Tao An, Keiichi Asada, Salvatore Botaccio, Do Young-byun, Lang Kui, Yoshiaki Hagiwara, Tomoya Hirota, Jeffrey Hodgson, Noriyuki Kawaguchi, Jae-Young Kim, Sang Song Lee, Ji-Won Lee, Jeong-Ee Lee, Giuseppe Maccaferri, Andrea Melis, Alexey Melnikov, Carlo Migoni, Si-Jin Oh, Koichiro Sugiyama, Xuezheng Wang, Yingkang Zhang, Zhong Chen, Jo-Yun Hwang, Dong-Kyu Jung, Heo-Ryung Kim, Jeong Suk Kim, Hideyuki Kobayashi, Bin Li, Guangwei Li, Xiaofei Li, Xiong Liu, Qinghui Liu, Xiang Liu, Chung Sik Oh, Tomoaki Aoyama, Duke Jiu Ruo, Jinqing Wang, Na Wang, Xiqiang Wang, Bo Xia, Hao Yan, Jae-hwan Yum, Yoshinori Yonekura, Jianping Yuan, Hua Zhang, Rongping Zhao en Yi Zhong, 27 september 2023, natuur.
doi: 10.1038/s41586-023-06479-6