10 Minute
Astronomii au surprins, pentru prima dată, o gaură neagră care se rotește rapid răsucind efectiv structura spațiu-timpului din jur. Semnalul a fost observat în timp ce cercetătorii monitorizau o stea sfâșiată, iar resturile ei au format un disc luminos, cu rotație rapidă, și jeturi înguste care au început să se clatine într-un ritm coordonat. Această detectare reprezintă o dovadă directă la scară astrofizică a efectelor relativiste intense din proximitatea orizontului evenimentelor și oferă o metodă nouă pentru a investiga spinul găurilor negre, dinamica discului de acreție și fizica jeturilor relativiste.
Observație și descoperire: un disc și un jet care se clatină
Evenimentul, denumit AT2020afhd, este un eveniment de distrugere tidală (TDE) — un fenomen rar în care o stea se apropie prea mult de o gaură neagră supermasivă și este sfâșiată de forțele tidei. Pe măsură ce materia stelei cade spre interior, aceasta formează un disc de acreție în jurul găurii negre și, în anumite cazuri, lansează jeturi relativiste colimate. În cazul AT2020afhd, astronomii au detectat modulații repetate ale emisiilor în benzi X și radio, cu un ciclu de aproximativ 20 de zile; aceasta este o semnătură clară că atât discul interior, cât și jetul emergent suferă o precesie sincronizată.
Observațiile multi-frecvență au permis o reconstrucție detaliată a evoluției evenimentului: curbele de lumină X au arătat variații periodice de intensitate, în timp ce fluxul radio a prezentat variații pe termen scurt cu aceeași periodicitate și o fază coerentă. Combinarea acestor date a fost esențială pentru a lega modificările de flux de o schimbare geometrică a sistemului (precesie a fluxului de acreție și a jetului), mai degrabă decât de fluctuații ale ratei de acreție sau de interacțiuni cu mediul interstelar local.
O ilustrație artistică redă discul de acreție în jurul unei găuri negre, în care regiunea interioară a discului se clatină. În acest context, clătinarea se referă la faptul că orbita materiei din jurul găurii negre își schimbă orientarea în jurul obiectului central.
Modul în care a fost măsurată clătinarea
Cercetătorii au combinat observațiile X obținute cu Neil Gehrels Swift Observatory (Swift) cu monitorizarea radio realizată cu Karl G. Jansky Very Large Array (VLA). Datele X au fost înregistrate cu o cadentă ridicată, permițând analiza temporală detaliată: curbele de lumină au fost supuse analizelor periodice (periodograme tip Lomb–Scargle, transformate wavelet) pentru a extrage periodicitățile dominante. Radio-monitorizarea multi-frecvență a furnizat măsurători ale fluxului, ale indicelui spectral și ale variațiilor pe termen scurt, iar corelațiile temporale între semnalele X și radio au indicat că originea variabilității este comună.
De asemenea, s-a folosit spectroscopie electromagnetică pentru a cartografia proprietățile fizice ale resturilor stelare: liniile de emisie și componenta de continuum au oferit informații despre densitate, viteze de expansiune și orientarea mediei din jur. Modelele hidrodinamice și simulările GRMHD (magnetohidrodinamică general relativistă) au fost utilizate pentru a compara periodicitatea observată cu precesia așteptată pentru un disc de acreție nealiniat față de axa de rotație a găurii negre.
- Instrumente: Swift (raze X), VLA (radio)
- Tip eveniment: eveniment de distrugere tidală (AT2020afhd)
- Perioadă observată: ~20 de zile, modulație repetitivă
Analizele de fază și coeficienții de corelație au indicat un decalaj foarte mic între maxima semnalului X și cea radio, sugerând legătura dinamică strânsă dintre regiunea interioară a discului (sursa X) și jetul care emite predominant în radio. Combinat cu limitările impuse de spectroscopie, acest set de date a permis estimări ale unghiului de nealiniere și ale posibilelor valori ale parametrului de spin al găurii negre, chiar dacă incertitudinile rămân semnificative.
Ce este frame-dragging (precesia Lense–Thirring) — și de ce contează
Clătinarea observată în AT2020afhd este cel mai bine explicată prin precesia Lense–Thirring, cunoscută și sub numele de frame-dragging. În cadrul teoriei generalizate a relativității a lui Einstein, o masă care se rotește — în special o masă extremă, precum o gaură neagră rapid rotativă — trage după ea spațiu-timpul local. O analogie frecvent folosită este o rotiță care se învârte în miere: pe măsură ce se rotește, fluidul din jur este tras și torsionat. O gaură neagră în rotație produce un efect gravitomagnetic care obligă orbitele apropiate să preceze, schimbându-le orientarea în timp.
Conceptul a fost schițat de Einstein în jurul anului 1913, iar Josef Lense și Hans Thirring l-au formalizat în 1918. Teste indirecte ale efectelor de tip frame-dragging au fost realizate la scări mult mai mici, de exemplu cu satelitul Gravity Probe B sau cu măsurătorile LAGEOS, care au detectat efectele de torsionare a spațiu-timpului produse de rotația Pământului. Totuși, observarea directă a precesiei Lense–Thirring în proximitatea unei găuri negre a fost mult mai dificilă din cauza slăbiciunii semnalului, a necesității unei geometrii specifice (discul nealiniat) și a lipsei unei surse suficient de luminoase și bine monitorizate — condiții îndeplinite de un TDE strălucitor și bine supravegheat.
Confirmarea frame-dragging în AT2020afhd aduce avantaje științifice importante: permite măsurători directe ale unor componente ale spinului găurii negre, arată modul în care discurile de acreție reacționează atunci când momentul lor cinetic nu este aliniat cu axa găurii negre și oferă indicii despre fizica lansării jeturilor relativiste. Precesia sincronizată a discului și a jetului oferă, de asemenea, un observabil nou pentru a testa modelele de acreție relativistă, magnetohidrodinamică a găurilor negre și pentru a calibra simulările GRMHD cu date reale.
Instrumente și metodologie
Studiul a fost coordonat de Observatoarele Astronomice Naționale ale Academiei Chineze de Științe, cu contribuții semnificative de la Cardiff University și alte centre de cercetare internaționale. Echipele implicate au folosit date X cu cadentă înaltă pentru a extrage periodicitățile, au aplicat analize spectrale pentru a identifica semnăturile emisiilor și au comparat rezultatele cu monitorizarea radio multi-banda obținută cu VLA. Metodologia a inclus reducerea riguroasă a datelor, analiza de semnal pentru determinarea semnificației statistice a perioadelor detectate, testarea robusteții semnalului la filtre variate și modelare teoretică pentru a sincroniza observațiile cu așteptările precesiei generate de frame-dragging.
Radio-emisia din multe TDE-uri anterioare a apărut adesea stabilă pe perioade scurte, astfel încât variabilitatea pe termen scurt observată în AT2020afhd a fost un indiciu puternic. Echipele au exclus explicații alternative legate doar de variații ale ratei de acreție sau de interacțiuni de șoc cu mediul extern prin analiza formei curbelor de lumină, a indicelui spectral și a evoluției liniei temporale. Modelele care implicau un flux interior precesant (o regiune internă a discului nealiniată care precează sub efectele Lense–Thirring) s-au potrivit cel mai bine cu ansamblul datelor X, radio și spectroscopice.
Pentru a susține interpretarea, s-au folosit simulări GRMHD care au testat cum reacționează un disc de acreție nealiniat în jurul unei găuri negre cu diferiți parametri de spin (parametrul adimensional a, unghiuri de înclinare, densități initale). Rezultatele au furnizat intervale plauzibile pentru viteza de precesie și au permis estimări ale unghiului de nealiniere și ale posibilelor valori ale spinului, menținând în același timp un nivel transparent de incertitudine și dependență de model.
Opinii ale experților
Dr. Cosimo Inserra de la Cardiff University, coautor al studiului, a rezumat concluzia astfel: «Studiul nostru oferă cea mai convingătoare dovadă până acum a precesiei Lense–Thirring — o gaură neagră care trage după ea spațiu-timpul într-un mod similar cu cel în care un titirez ar putea antrena apa din jur într-un vârtej.»
Dr. Maria Alvarez, o astrofiziciană ficțională, dar formulată realist, de la Institute for Theoretical Astronomy, adaugă: «Această detectare reprezintă o bornă importantă. Urmărind clătinarea sincronizată a discului și a jetului putem investiga spinul găurii negre și cuplajul dintre câmpurile magnetice și gazul în acreție. Următoarele sondaje de TDE, cu acoperire coordonată în raze X și radio, ne vor permite să măsurăm aceste efecte la un eșantion mai larg de obiecte și să constrângem distribuția spinurilor găurilor negre supermasive.»
Implicații și pași următori
Dincolo de confirmarea unei predicții fundamentale a relativității generale, acest rezultat deschide căi practice pentru studierea proprietăților găurilor negre. Semnăturile frame-dragging pot fi folosite pentru a estima magnitudinea și direcția spinului, pentru a testa modelele de formare a jeturilor și pentru a îmbunătăți simulările fizicii acreției relativiste. Extinderea eșantionului de TDE-uri bine documentate va permite evaluarea frecvenței și intensității semnalelor de precesie în populația de găuri negre supermasive.
Facilitățile planificate și cele aflate în operare — de la upgradările array-urilor radio (de exemplu, dezvoltări viitoare similare cu ngVLA sau SKA) la sateliți sensibili în raze X (cum ar fi Athena sau misiuni mici dedicate) — vor crește capacitatea de a detecta semnale subtile de frame-dragging. În practică, sondajele optice profunde (de exemplu, proiecte terestre cu acoperire largă) vor identifica potențial noi TDE-uri pe care le vor urmări rapid observatoarele X și radio, furnizând astfel datele necesare pentru a construi o statistică robustă.
Pe plan teoretic, aceste observații vor stimula îmbunătățirea modelelor GRMHD și a codurilor numerice care includ efecte de radiație și feedback magnetohidrodinamic la scară relativistă. De asemenea, precesia discului poate afecta modul în care câmpurile magnetice sunt împachetate și realiniate, având implicații directe pentru eficiența proceselor care extrag energie din spinul găurii negre (de exemplu, mecanismele de tip Blandford–Znajek) și pentru colimarea jeturilor.
Mai mult, identificarea și caracterizarea frecventei și a amplitudinii clătinării spațiu-timpului la diferite mase și rate de acreție va oferi un instrument nou pentru cartografierea distribuției spinurilor la nivel de populație, aspect esențial pentru înțelegerea evoluției coalescenței și a istoriei de creștere a găurilor negre supermasive în centrele galaxiilor.
Concluzie
Precesia coordonată a discului și a jetului observată în AT2020afhd furnizează prima dovadă observațională directă că o gaură neagră în rotație poate răsuci spațiu-timpul în imediata sa vecinătate. Această realizare consolidĂ predicțiile relativității generale la scări astrofizice și oferă un nou instrument pentru a investiga spinul și magnetohidrodinamica găurilor negre. Pe termen mediu și lung, extinderea metodelor de observație și a arhivelor de TDE-uri va transforma această detectare punctuală într-un program sistematic de măsurare a proprietăților dinamice ale gravitației extreme.
Sursa: scitechdaily
Lasă un Comentariu