Według ostatnich badań przy użyciu teleskopu Chandra i XMM-Newton charakterystyczne promieniowanie X z żelaza może pokazać, czy czarne dziury wirują czy też nie. Przepływ gazu i dziwne efekty grawitacyjne wokół supermasywnych czarnych dziur, są podobne jak wokół gwiezdnych czarnych dziur. W ten sposób gwiezdne czarne dziury mogą stać się modelami swoich znacznie większych kuzynów.

Czarne dziury występują co najmniej dwóch zróżnicowanych wielkościach. Gwiezdne czarne dziury są rzędu 5 do 20 razy masywniejsze niż Słońce, a masa supermasywnych czarnych dziur to już rzędy milionów lub miliardów mas Słońca. W naszej Drodze Mlecznej znajdują się gwiezdne czarne dziury, podróżujące sobie przez Galaktykę oraz jedna supermasywna czarna dziura w centrum.

Na konferencji prasowej “Four Years of Chandra” Jon Miller z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics w Cambridge, rozpatrywał ostatnie wyniki badania spektrum promieniowania X, które pochodziło z atomów żelaza w gazie wokół trzech gwiezdnych czarnych dziur w Drodze Mlecznej.

Odkrycie wysokiego podobieństwa między gwiezdnymi i supermasywnymi czarnymi dziurami jest wielkim przełomem” – powiedział Miller. – “Ponieważ gwiezdne czarne dziury są mniejsze, wszystko dzieje się około milion razy szybciej. Dzięki temu mogą być one użyte jak testery dla teorii w jaki sposób rotowanie czarnej dziury wpływa na materie i przestrzeń wokół nich“.

Promieniowanie X z czarnej dziury jest produkowane, kiedy gaz z najbliższego jej kompana jest podgrzewany do dziesiątek milionów stopni w wyniku akrecji. Atomy żelaza w gazie produkują charakterystyczne sygnały X, które mogą zostać użyte do badania cząsteczek wokół czarnej dziury. Dla przykładu, grawitacja czarnej dziury może spowodować przesunięcie promieniowania X do niższych energii.

Ostatnie prace dają nam najbardziej precyzyjne pomiary spektrum promieniowania X z gwiezdnych czarnych dziur jakie dotychczas zrobiono” – powiedział Miller. – “Te dane pozwolą lepiej zrozumieć geometrię czasoprzestrzeni wokół czarnych dziur, ktore powstały w wyniku śmierci masywnych gwiazd“.

Orbita cząsteczki znajdującej się niedaleko czarnej dziury zależy od krzywizny przestrzeni wokół czarnej dziury, która zależy między innymi od sposobu jej rotacji. Rotująca czarna dziura “wlecze” za sobą przestrzeń i pozwala atomom na orbitowanie bliżej, niż dzieje się to w przypadku nierotującej czarnej dziury.

Ostatnie dane Chandry o Cygnus X-1, pierwszej gwiezdnej czarnej dziury, pokazały, że grawitacyjne wpływ na sygnał z atomów żelaza może wynikać wyłącznie z efektu relatywistycznego, a atomy te nie mogą się zbliżyć na mniej niż 160 kilometrów do czarnej dziury. Chandra nie znalazła żadnych dowodów, że Cygnus X-1 rotuje.

Dane z teleskopu XMM-Newton o czarnej dziurze XTE J1650-500 pokazują bardzo podobną emisję promieniowania X, poza jednym znaczącym wyjątkiem. Udaje się zaobserwować więcej niskoenergetycznego promieniowania X, co wskazuje na źródło tego promieniowania w studni grawitacyjnej wokół czarnej dziury – około 32 kilometry od horyzontu zdarzeń. Ta czarna dziura musi więc rotować z duża prędkością.

Obserwacje przy pomocy teleskopu Chandra trzeciej gwiezdnej czarnej dziury GX 339-4 ukazały, że obraca się ona także z duża prędkością, a ciepłe obłoki gazu oddalają się od czarnej dziury z prędkością 480 kilometrów na godzinę. Taki ciepły gaz został także zaobserwowany w sąsiedztwach supermasywnych czarnych dziur.

Wcześniejsze obserwacje supermasywnych czarnych dziur, zrobione przy pomocy satelity japońskiego ASCA oraz teleskopów Chandra i XMM-Newton, pokazują, że ten typ czarnych dziur też może rotować dosyć szybko. Ostatnie badania przedstawione przez Millera wskazują, że geometria czasoprzestrzeni wokół rotującej gwiezdnej i supermasywnej czarnej dziury jest bardzo podobna. Obydwa typy są podobne także w tym, że produkują strugi złożone z wysokoenergetycznych cząsteczek.

Dlaczego niektóre czarne dziury rotują, a inne nie? Jeden przyczyna może leżeć w tym, że gwiazda z której powstaje czarna dziura może rotować lub też nie. Inne wytłumaczenie jest takie, że rotacja uzależniona jest od tego, jak długo czarna dziura pożera materię od swego gwiezdnego kompana. Im trwa to dłużej tym bardziej rotacja zwiększa się. Czarne dziury, które posiadają większa rotację, jak XTE J1650-500 i GX 339-4, mają bardziej masywnych kompanów. Mogą oni karmić dłużej czarną dziurę, a ta w ten sposób będzie zwiększać prędkość swojej rotacji. Cygnus X-1, która posiada mniej masywnego kompana, może nie mieć wystarczająca dużo czasu, żeby się rozkręcić.

Autor

Zbigniew Artemiuk