Astronomiczny Obiekt Miesiąca: Maj 2020

< poprzedni Archiwum następny >

Kosmiczny Teleskop Spitzera testuje Teorię Grawitacji Einsteina - powtarzające się wybuchy w pobliżu supermasywnej czarnej dziury

Ostatnie obserwacje przewidywanego pojaśnienia odległej galaktyki przeprowadzone przez Kosmiczny Teleskop Spitzera potwierdziły hipotezę istnienia pary masywnych czarnych dziur w obiekcie OJ287, emitującej nano-hercowe (nHz) fale grawitacyjne. Obserwacje te wspierają międzynarodowe wysiłki na rzecz bezpośredniego wykrywania takich fal. Dane dostarczone przez Teleskop Spitzera potwierdzają również unikalną właściwość czarnych dziur odkrytą przez Stephena Hawkinga i jego współpracowników.


Naukowcy, wśród których znalazł się profesor Stanisław Zoła z Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Jagiellońskiego, opisują wyniki swoich badań w najnowszym numerze Astrophysical Journal Letters.

Rok temu został opublikowany pierwszy wizerunek czarnej dziury w pobliskiej galaktyce M87, wykonany dzięki obserwacjom Teleskopu Horyzontu Zdarzeń (ang. Event Horizon Telescope, EHT). Obraz ma czarny środek z jasnym pierścieniem światła wokół niego. Czy jest to jednak obraz prawdziwej czarnej dziury, takiej, jaką opisuje Ogólna Teoria Względności (OTW) Alberta Einsteina? By takim być, ten czarny obiekt musi spełniać określone wymagania. Można go jednoznacznie scharakteryzować tylko trzema parametrami możliwymi do zaobserwowania: masą, ładunkiem elektrycznym i momentem pędu. Wszystkie inne informacje (metaforycznie określone jako włosy) o materii, która uformowała czarną dziurę lub wpadła do niej, „znikają” za horyzontem zdarzeń czarnej dziury i są niedostępne dla zewnętrznych obserwatorów. Innymi słowy, obiekt musi być idealnie gładki, niedozwolone są żadne „nierówności” na powierzchni. To wymaganie stało się znane jako twierdzenie o braku włosów i zostało po raz pierwszy sformułowane na przełomie lat sześćdziesiątych i siedemdziesiątych XX wieku przez Wernera Izraela i Brandona Cartera oraz Stephena Hawkinga. Fizyk z Princeton, John Wheeler, rzucił kiedyś żartobliwie hasło, że „czarne dziury nie mają włosów” - od tego pochodzi nazwa hipotezy o braku włosów. Stwierdzenie to wyklucza istnienie włosów na powierzchni czarnej dziury, a także wszystkich innych „nierówności”.

Prosty sposób udowodnienia poprawności twierdzenia został zapostulowany przez Kipa Thorne'a z California Institute of Technology (Caltech) około dziesięć lat później. Zaproponował on, by z wielką precyzją badać ruch satelity wokół czarnej dziury. Jeśli czarna dziura ma jakieś "nierówności" lub włosy, wówczas orbita takiego satelity zostanie skręcona w określony sposób.

Należało więc odkryć satelitę, który krąży wokół potencjalnego kandydata na czarną dziurę. Taki satelita rzeczywiście został odkryty w 1988 r. w kwazarze o nazwie OJ287 Od tego czasu, przez 30 lat, orbita satelity była intensywnie badana. Po licznych kampaniach obserwacyjnych, prowadzonych głównie przez Mauri Valtonena i jego współpracowników, orbita satelity została ostatecznie wyznaczona z dokładnością wymaganą do przetestowania twierdzenia o braku włosów.

Informacja o ruchu satelity ma postać sygnałów - rozbłysków, które powstają, gdy satelita przebija warstwę gazu otaczającą główną czarną dziurę. Trudno przeoczyć te sygnały, gdyż emisja światła z OJ287 w szybkim czasie wzrasta o wartość, która odpowiada włączeniu biliona Słońc w ciągu jednego dnia, tj. większą niż jasność całej galaktyki. Sygnał jest również łatwy do rozpoznania, ponieważ generowane przez OJ287 światło jest niebieskie. Wyznaczenie dokładnej godziny, w której pojawia się sygnał, pozwala określić szczegóły orbity satelity, a tym samym zbadać słuszność twierdzenia o braku włosów.


Rozbłysk generowany przez mniejszą czarną dziurę w układzie miał pojawić się 31 lipca 2019 r. Niestety, w tym czasie niemożliwe było badanie OJ287 z Ziemi (w lecie obiekt był widoczny zbyt blisko Słońca). Na szczęście istniało Kosmiczne Obserwatorium Spitzera (obsługiwane przez NASA, JPL i Caltech), które było na tyle oddalone od Ziemi, że mogło bez problemu „przyjrzeć się” OJ287. Grupa naukowców pod przewodnictwem Seppo Laine z Caltech wykorzystała ten teleskop do monitorowania OJ287 od 31 lipca do 3 września. Odkryli oni nie tylko przewidywany wzrost jasności sygnału, ale stwierdzili również, że pojawił się on z bardzo małą różnicą 2,5 godziny w stosunku do przewidywań. Moment rozbłysku pokrył się więc w zasadzie z przewidywaniami i dlatego możemy wnioskować, że w głównej czarnej dziurze nie mogło być żadnych znaczących włosów. Nawet małe - na poziomie 15% - odchylenia na powierzchni czarnej dziury wytrąciłyby satelitę z kursu i przesunęłyby czas wzrostu sygnału poza obserwowane granice.

W ten sposób udowodniono, że supermasywna czarna dziura z układu OJ287 jest rzeczywiście czarną dziurą opisaną przez Ogólną Teorię Względności, a co za tym idzie, prawdopodobne jest, że to samo można powiedzieć o czarnej dziurze w M87 i innych galaktykach, w których podejrzewa się istnienie takich obiektów.

Obserwacje satelitarne uzupełniono o dane z teleskopów naziemnych. W ten sposób udało się sprawdzić kolor emitowanego światła. Rzeczywiście, podczas fazy spadku jasności kolor był niebieski. Świadczy to o tym, że sygnał był emitowany z gazu o bardzo wysokiej temperaturze rzędu 300 000 stopni, 50 razy przewyższającej temperaturę powierzchni Słońca, a pochodził z obszaru, który jest około dwa razy większy od naszego Układu Słonecznego. Bardziej masywna czarna dziura w układzie OJ287 ma ogromny promień, około dziewięć razy większy od Układu Słonecznego. Nawet z odległości 3,5 miliarda lat świetlnych od nas jej otoczenie jest wciąż na tyle jasne, że można je zobaczyć nawet przy pomocy małych amatorskich teleskopów.

Wyniki opisywanych badań przygotowały grunt pod planowane bezpośrednie zobrazowanie pary czarnych dziur w OJ287 przez EHT, a także stanowią wyzwanie dla międzynarodowego projektu International Pulsar Timing Array (IPTA), mającego na celu wykrycie nano-hercowych fal grawitacyjnych pochodzących z tego i podobnych podwójnych układów masywnych czarnych dziur.




Oryginalna publikacja: Laine, S., Dey, L., Valtonen, M., Gopakumar, A., Zola, S. et al., Spitzer Observations of the Predicted Eddington Flare from Blazar OJ 287, Astrophysical Journal Letters, 2020.


Przedstawione wyniki są częścią badań prowadzonych w Zakładzie Astronomii Gwiazdowej i Pozagalaktycznej Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Jagiellońskiego. Zostały uzyskane przy finansowym wsparciu Narodowego Centrum Nauki w ramach grantu NCN 2018/29/B/ST9/01793.




Kontakt:

S. Zoła Obserwatorium Astronomiczne UJ S.Zola [at] oa.uj.edu.pl