Obok niego krąży czarna dziura – „całkowicie nieoczekiwane”

Naukowcy z Uniwersytetu w Turku w Finlandii odkryli, że oś obrotu[{” attribute=””>black hole in a binary system is tilted more than 40 degrees relative to the axis of stellar orbit. The finding challenges current theoretical models of black hole formation.

The observation by the researchers from Tuorla Observatory in Finland is the first reliable measurement that shows a large difference between the axis of rotation of a black hole and the axis of a binary system orbit. The difference between the axes measured by the researchers in a binary star system called MAXI J1820+070 was more than 40 degrees.

Artist impression of the X-ray binary system MAXI J1820+070 containing a black hole (small black dot at the center of the gaseous disk) and a companion star. A narrow jet is directed along the black hole spin axis, which is strongly misaligned from the rotation axis of the orbit. Image produced with Binsim. Credit: R. Hynes

Often for the space systems with smaller objects orbiting around the central massive body, the own rotation axis of this body is to a high degree aligned with the rotation axis of its satellites. This is true also for our solar system: the planets orbit around the Sun in a plane, which roughly coincides with the equatorial plane of the Sun. The inclination of the Sun rotation axis with respect to orbital axis of the Earth is only seven degrees.

“The expectation of alignment, to a large degree, does not hold for the bizarre objects such as black hole X-ray binaries. The black holes in these systems were formed as a result of a cosmic cataclysm – the collapse of a massive star. Now we see the black hole dragging matter from the nearby, lighter companion star orbiting around it. We see bright optical and X-ray radiation as the last sigh of the infalling material, and also radio emission from the relativistic jets expelled from the system,” says Juri Poutanen, Professor of Astronomy at the University of Turku and the lead author of the publication. 

Wizja artystyczna rentgenowskiego układu podwójnego MAXI J1820 + 070, który zawiera czarną dziurę (mały czarny punkt w centrum gazowego dysku) i gwiazdę towarzyszącą. Wąski dżet jest kierowany wzdłuż osi obrotu czarnej dziury, która jest silnie odchylona od osi obrotu orbity. Obraz powstał z wiatrem. Źródło: R. Hynes

Śledząc te dżety, naukowcy byli w stanie bardzo precyzyjnie określić kierunek osi obrotu czarnej dziury. Kiedy ilość gazu spadającego z gwiazdy towarzyszącej do czarnej dziury zaczęła później spadać, temperatura układu ostygła, a duża część światła w układzie pochodziła od gwiazdy towarzyszącej. W ten sposób naukowcy byli w stanie zmierzyć nachylenie orbity za pomocą technik spektroskopowych, co z grubsza pokrywało się z nachyleniem balistyki.

„Aby określić orientację orbity 3D, trzeba również znać kąt położenia układu na niebie, co oznacza, jak układ obraca się względem kierunku północnego na niebie. Zmierzono to za pomocą technik polarymetrycznych” – mówi. Juri Potanina.

Wyniki opublikowane w Science otwierają interesujące perspektywy dla badań nad powstawaniem czarnych dziur i ewolucją takich systemów, ponieważ trudno jest uzyskać tak skrajną nierównowagę w wielu scenariuszach powstawania czarnych dziur i ewolucji układów binarnych.

Różnica ponad 40 stopni między osią orbity a obrotem czarnej dziury była całkowicie nieoczekiwana. Naukowcy często zakładali, że ta różnica jest bardzo mała, kiedy modelowali zachowanie materii w zakrzywionej przestrzeni czasowej wokół czarnej dziury. Istniejące modele są już złożone, a teraz nowe odkrycia zmuszają nas do nadania im nowego wymiaru” – mówi Potanin.

Odniesienie: „Nierównowaga rotacji orbity i orbity czarnej dziury w układzie podwójnym rentgenowskim MAXI J1820+070” autorstwa Guri Potanina, Aleksandry Velediny, Andrieja V Berdyuginy, Swietłany V Berdyuginy, Helen Germak, Petera J. Junckera, Gary’ego JE Kagavy, Ilyi Kozenkova, Vadim Kravtsov Filippo Perola, Manisha Shrestha, Manuel A. Perez-Torres i Serge S. Cygankow, 24.02.2022 Dostępny tutaj. wiedzieć.
DOI: 10.1126 / science.abl4679

Głównego odkrycia dokonano przy użyciu własnego polarymetru DIPol-UF zainstalowanego w Północnym Teleskopie Optycznym, którego współwłasnością jest Uniwersytet w Turku z Uniwersytet w Aarhus w Danii.