Перевірка обертання надмасивної чорної діри – загальна теорія відносності Ейнштейна сяє

Galaxy M87 Чорна діра На ньому показаний коливальний струмінь, що підтверджує його обертання, як це було зроблено в результаті дослідження, яке тривало два десятиліття, яке узгоджується з передбаченнями загальної теорії відносності Ейнштейна.

Сусідня радіогалактика M87, розташована на відстані 55 мільйонів світлових років від Землі та містить чорну діру, у 6,5 мільярдів разів більша за Сонце, демонструє коливальний потік, який коливається вгору та вниз з амплітудою приблизно 10 градусів, підтверджуючи існування чорного отвір. обгортання.

Дослідження, очолюване китайським дослідником доктором Юйчжоу Цуєм, було опубліковано в природи 27 вересня його провела міжнародна команда за допомогою глобальної мережі радіотелескопів.

Завдяки ретельному аналізу даних телескопа з 2000 по 2022 рік дослідницька група виявила 11-річний повторюваний цикл у прецесії основи джета, як передбачала загальна теорія відносності Ейнштейна. Дослідження пов’язує динаміку потоку з центральною надмасивною чорною дірою, надаючи докази того, що чорна діра в M87 обертається.

Явища надмасивної чорної діри

Надмасивні чорні діри в центрі активних галактик – найбільш нестабільних небесних тіл у нашому Всесвіті – можуть накопичувати величезну кількість матерії завдяки своїй надзвичайній гравітаційній силі та силі тяжіння. плазма Потоки, відомі як струмені, наближаються до швидкості світла й мають тисячі світлових років у поперечнику.

Механізм передачі енергії між надмасивними чорними дірами та їх акреційними дисками та релятивістськими струменями спантеличив фізиків і астрономів більше століття. Переважаюча теорія припускає, що енергія може бути вилучена з обертової чорної діри, дозволяючи частині матеріалу, що оточує надмасивну чорну діру, викидатися зі значною енергією. Однак обертання надмасивних чорних дір, вирішальний фактор у цьому процесі та найважливіший параметр, крім маси чорної діри, безпосередньо не спостерігалося.

Верхня панель: структура струменя M87 на частоті 43 ГГц на основі даних піврічного накопичення, що спостерігалися з 2013 по 2018 рік. Білі стрілки вказують кут положення струменя на кожному піддіаграмі. Нижня панель: найкраще підібрані результати на основі щорічно складеного зображення з 2000 по 2022 рік. Зелені та сині крапки отримано зі спостережень на 22 ГГц і 43 ГГц відповідно. Червона лінія позначає найкращу відповідність відповідно до ініціативної моделі. Авторство зображення: Yuzhou Cui та ін., 2023 р

Зосередьтеся на M87

У цьому дослідженні дослідницька група зосередилася на M87, де в 1918 році був помічений перший спостережний астрофізичний струмінь. Завдяки його близькості області утворення струменя поблизу чорної діри можна детально визначити за допомогою інтерферометрії з дуже довгою базовою лінією (VLBI). Це також представлено зображенням тіні сучасної чорної діри за допомогою телескопа Event Horizon Telescope (EHT). Аналізуючи дані VLBI з M87, отримані за останні 23 роки, команда виявила періодичні струмені-попередники в його основі, що дає змогу зрозуміти стан центральної чорної діри.

Динаміка чорної діри та теорія відносності

В основі цього відкриття лежить вирішальне питання: яка сила у Всесвіті може змінити напрямок такого потужного струменя? Відповідь може бути прихована в поведінці акреційного диска, утворення, пов’язаного з центральною надмасивною чорною дірою.

Коли матеріал, що падає, обертається навколо чорної діри завдяки своєму кутовому моменту, він утворює дископодібну структуру перед тим, як поступово обертатися по спіралі всередину, поки його доленосно не втягне в чорну діру. Однак, якщо чорна діра обертається, вона справляє значний вплив на простір-час, що її оточує, змушуючи сусідні об’єкти тягнутися вздовж осі її обертання, явище, відоме як «перетягування кадру», яке було передбачено загальною теорією відносності Ейнштейна. .

Комплексний аналіз дослідницької групи показує, що вісь обертання акреційного диска відхиляється від осі обертання чорної діри, що призводить до попереднього струму. Виявлення цього руху є однозначним доказом того, що надмасивна чорна діра в M87 дійсно обертається, покращуючи наше розуміння природи надмасивних чорних дір.

«Ми задоволені цим важливим результатом», — сказав Ючжоу Цуй, докторант лабораторії Чжецзян, науково-дослідної установи в Ханчжоу, і провідний автор дослідження. «Оскільки розбіжність між чорною дірою та диском відносно невелика, а період прецесії становить близько 11 років, для досягнення цього прориву необхідний збір даних високої роздільної здатності, що відстежують структуру M87 протягом двох десятиліть, і комплексний аналіз».

Доктор Кадзухіро Хада з Національної астрономічної обсерваторії Японії додав: «Після успішного зображення чорної діри в цій галактиці за допомогою EHT питання про те, обертається ця чорна діра чи ні, стало головним питанням для вчених». «Тепер очікування перетворилося на впевненість. Ця жахлива чорна діра вже обертається».

Майбутні внески та наслідки

У цій роботі було використано загалом 170 епох спостережень, отриманих Східно-Азіатською мережею VLBI (EAVN), дуже довгою базовою лінією (VLBA), спільною системою KVN і VERA (KaVA) і глобальною мережею від Східної Азії до Італії. (ЇЖА) мережа. Загалом у цьому дослідженні взяли участь понад 20 телескопів з усього світу.

Китайські радіотелескопи також зробили внесок у цей проект, у тому числі китайський 65-метровий радіотелескоп Tianma з його величезною тарілкою та високою чутливістю до міліметрових хвиль. Крім того, 26-метровий радіотелескоп у Сіньцзяні покращує кутову роздільну здатність спостережень EAVN. Високоякісні дані з високою чутливістю та високою кутовою роздільною здатністю необхідні для досягнення цього досягнення.

“40-метровий радіотелескоп Шигадзе в Шанхайській астрономічній обсерваторії покращить можливості EAVN для отримання міліметрових зображень. Зокрема, Тибетське плато, де розташований телескоп, має одні з найкращих умов для спостережень (субміліметрових) хвиль, Професор Чжіцян Чен, директор Шанхайської астрономічної обсерваторії Академії наук Китаю, сказав, що це відповідає нашим очікуванням щодо покращення вітчизняних засобів для астрономічних спостережень.

Хоча це дослідження проливає світло на таємничий світ надмасивних чорних дір, воно також створює величезні проблеми. Структура акреційного диска і точне обертання надмасивної чорної діри M87 все ще залишаються невизначеними. Ця робота також передбачає, що буде більше джерел із такою конфігурацією, що стане проблемою для вчених.

Довідка: «Реактивне сопло, що з’єднується з обертовою чорною дірою в M87», автори Ючо Куей, Кадзухіро Хада, Томохіса Кавасіма, Мотокі Кіно, Вейканг Лін, Юсуке Мізуно, Хюнвук Ру, Маркей Хонма, Коно І, Джінтао Ю, Чонхо Парк, Ву Цзян, Чжицян Чен, Євгенія Кравченко, Хуан Карлос Альгаба, Сяопін Ченг, Елі Чжоу, Габріеле Джованніні, Марчелло Джіролетті, Техюн Юнг, Ру Сін Лу, Котаро Нінума, Чонван О, Кен Осуга, Сатоко Савада Сато, Бонг Вон Сон, Хіроюкі Р Такахаші, Міко Такамура, Фумі Тазакі, Саша Тріпп, Кійоакі Вадзіма, Кадзунорі Акіяма, Тао Ан, Кейічі Асада, Сальваторе Ботаччо, До Янг ​​Бюн, Ланг Куі, Йошіакі Хагівара, Томоя Хірота, Джеффрі Ходжсон, Норіюкі Кавагучі, Дже Янг Кім, Сан Сонг Лі, Джі-Вон Лі, Чон-І Лі, Джузеппе Маккаферрі, Андреа Меліс, Олексій Мельников, Карло Мігоні, Сі-Дзінь О, Коічіро Сугіяма, Сюечжен Ван, Інкан Чжан, Чжун Чен, Джо-Юн Хван, Донг-Кю Чон, Хео-Рюн Кім, Чон Сук Кім, Хідеюкі Кобаяші, Бін Лі, Гуанвей Лі, Сяофей Лі, Сюн Лю, Цінхуей Лю, Сян Лю, Чун Сік О, Томоакі Аояма, Дюк Цзю Руо, Цзіньцін Ван, На Ван, Сіцян Ван, Бо Ся, Хао Янь, Дже Хван Юм, Йосінорі Йонекура, Цзяньпін Юань, Хуа Чжан, Жунпін Чжао та Ї Чжун, 27 вересня 2023 р., природи.
doi: 10.1038/s41586-023-06479-6