Lỗ đen uốn cong sự hiểu biết của chúng ta về Vũ trụ và các định luật vật lý. Khi lỗ đen quay tròn, nó kéo không gian xung quanh cùng với nó, và cho các nhà thiên văn học cơ hội nghiên cứu một số dự đoán của Einstein về thuyết tương đối.
Sự tồn tại của các lỗ đen có lẽ là dự đoán hấp dẫn nhất của Thuyết tương đối rộng Einstein Einstein. Khi bất kỳ khối lượng nào, chẳng hạn như một ngôi sao, trở nên nhỏ gọn hơn một giới hạn nhất định, lực hấp dẫn của chính nó trở nên mạnh đến mức vật thể sụp đổ đến một điểm kỳ dị, một lỗ đen. Trong tâm trí phổ biến, giếng trọng lực to lớn này là nơi xảy ra những điều kỳ lạ. Và bây giờ, một nhóm nghiên cứu do Trung tâm Vật lý thiên văn đã đo được một lỗ đen khối lượng lớn quay rất nhanh - quay hơn 950 lần mỗi giây - nó đẩy giới hạn tốc độ dự đoán để quay.
Nhà văn thiên văn học của CfA Jeffrey McClintock cho biết, tôi muốn nói rằng chế độ hấp dẫn này khác xa với kinh nghiệm trực tiếp và biết như chính thế giới hạ nguyên tử.
Áp dụng một kỹ thuật để đo độ xoáy được phát triển bởi McClintock và nhà vật lý thiên văn CfA Ramesh Narayan, nhóm nghiên cứu đã sử dụng dữ liệu vệ tinh Timing Explorer của NASA NASA Ross Rossi để đưa ra quyết định trực tiếp nhất về độ xoáy của lỗ đen.
McClintock và Narayan đã lãnh đạo một nhóm quốc tế bao gồm Rebecca Shafee, Khoa Vật lý của Đại học Harvard; Ronald Remillard, Trung tâm nghiên cứu vật lý thiên văn và vũ trụ Kavli, MIT; Shane Davis, Đại học California, Santa Barbara, và Li-Xin Li, Viện Vật lý thiên văn Max-Planck, Đức, trong nghiên cứu này. Kết quả được công bố trên tạp chí Astrophysical Magazine ngày hôm nay.
Giờ đây, chúng tôi có các giá trị chính xác cho tốc độ quay của ba lỗ đen, McClintock nói. Thú vị nhất là kết quả của chúng tôi cho microquasar GRS1915 + 105, có độ xoáy nằm trong khoảng từ 82% đến 100% giá trị tối đa theo lý thuyết.
Kết quả này có ý nghĩa chính trong việc giải thích cách các lỗ đen phát ra tia nước, để mô hình hóa các nguồn phát tia gamma có thể, và để phát hiện sóng hấp dẫn, theo nhà lý thuyết Narayan.
Tại sao các nhà thiên văn học quan tâm đến spin?
McClintock cho biết, trong thiên văn học, một lỗ đen được mô tả hoàn toàn chỉ bằng hai con số xác định khối lượng của nó và tốc độ quay của nó, McClintock nói. Không có gì khác, đơn giản, ngoại trừ một hạt cơ bản như electron hoặc quark.
Mặc dù các nhà thiên văn học đã thành công trong việc đo khối lượng lỗ đen, nhưng họ đã gặp khó khăn hơn nhiều khi đo thông số cơ bản thứ hai của lỗ đen, độ xoáy của nó.
Nar Thật vậy, cho đến năm nay, không có ước tính đáng tin cậy về độ xoáy cho bất kỳ lỗ đen nào, ông Naraya nói.
Một trọng lực của hố đen rất mạnh đến nỗi, khi lỗ đen quay tròn, nó kéo không gian xung quanh theo. Các cạnh của lỗ quay này được gọi là chân trời sự kiện. Bất kỳ vật liệu nào vượt qua chân trời sự kiện đều được kéo vào lỗ đen.
Tần số quay của lỗ đen mà chúng tôi đo được là tốc độ quay trong không gian, hoặc đang bị kéo, ngay tại chân trời sự kiện lỗ đen, ông nói, Naraya nói.
Lỗ đen tốc độ cao, GRS 1915, lớn nhất trong số 20 lỗ đen nhị phân tia X mà khối lượng hiện được biết đến, nặng gấp khoảng 14 lần so với Mặt trời. Nó được biết đến với các tính chất độc đáo như phóng ra các tia vật chất với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng và sự biến đổi nhanh chóng trong phát xạ tia X của nó.
Trong vài thập kỷ qua, hàng chục lỗ đen đã được phát hiện trong các hệ thống nhị phân tia X. Nhị phân tia X là một hệ thống trong đó hai vật thể quay quanh nhau, với khí từ một - một ngôi sao bình thường như Mặt trời - được chuyển đều đặn sang vật kia - trong trường hợp này là một lỗ đen. Các khí xoắn ốc vào lỗ đen bằng một quá trình gọi là bồi tụ. Khi nó xoắn ốc, nó nóng lên tới hàng triệu độ và tỏa ra tia X. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng phổ tia X của đĩa bồi tụ lỗ đen để xác định độ xoáy của nó.
Kỹ thuật này dựa trên một dự đoán chính của lý thuyết tương đối: khí tích tụ vào lỗ đen chỉ tỏa xuống một bán kính nhất định nằm bên ngoài lỗ đen - bên ngoài chân trời sự kiện. Bên trong bán kính này, khí rơi vào lỗ quá nhanh để tạo ra nhiều bức xạ. Bán kính tới hạn phụ thuộc vào độ xoáy của lỗ đen, do đó, việc đo bán kính này cung cấp ước tính trực tiếp về độ xoáy. Bán kính càng nhỏ thì tia X càng phát ra từ đĩa. Nhiệt độ của tia X, kết hợp với độ sáng của tia X, cho bán kính, từ đó, mang lại tốc độ quay của lỗ đen.
Rebecca Shafee, một sinh viên tốt nghiệp Khoa Vật lý tại Đại học Harvard cho biết, thật tuyệt vời khi có thể đo lường được điều gì đó cơ bản này. Phương pháp của chúng tôi rất đơn giản trong khái niệm và dễ hiểu. Chúng tôi thực sự may mắn khi có các đài quan sát tia X mạnh mẽ như Máy dò thời gian tia X Rossi trong không gian và kính viễn vọng trên Trái đất để thực hiện các phép đo mà chúng tôi cần.
Việc tìm kiếm nguyên nhân của vụ nổ tia gamma, có thể, trong một khoảnh khắc, tia sáng mạnh nhất trong vũ trụ, có thể được hỗ trợ bởi kết quả của đội. Nhà vật lý thiên văn lý thuyết Stan Woosley thuộc Đại học California, Santa Cruz, đã mô hình hóa các vụ nổ tia gamma dựa trên sự sụp đổ của một ngôi sao lớn. Những mô hình này, tuy nhiên, phụ thuộc vào sự tồn tại của các lỗ đen với độ xoáy rất cao, mà cho đến nay chưa bao giờ được xác nhận.
Đây là một điều cực kỳ quan trọng. Tôi không biết những phép đo như vậy có thể được thực hiện.
Bài viết kết luận rằng GRS 1915 và hai lỗ đen khác mà nhóm nghiên cứu đã sinh ra với vòng quay cao. Đó là, lõi sụp đổ của ngôi sao khổng lồ ban đầu đổ động lượng góc của nó xuống lỗ đen.
Kể từ khi cộng đồng tìm ra cách đây nhiều năm, cách đo khối lượng lỗ đen, đo spin đã là chén thánh trong lĩnh vực này, McClintock nói. Kỹ thuật chúng tôi sử dụng trên GRS 1915 có thể được áp dụng cho một số nhị phân tia X lỗ đen khác. Chúng tôi không thể chờ đợi để xem những gì chúng tôi tìm thấy!
Một trong những hy vọng yêu thích của chúng tôi là các hệ thống lỗ đen mà chúng tôi đang nghiên cứu cũng sẽ được các nhóm khác nghiên cứu bằng cách sử dụng các phương pháp đo spin yêu thích của họ, theo ông Narayan. Một khi các phương pháp khác này được phát triển hơn nữa và trở nên đáng tin cậy hơn, việc so sánh chéo các kết quả từ các phương pháp khác nhau sẽ rất thú vị.
Nguồn gốc: Bản tin CfA
