Чорна діра, що обертається поруч з нею – “цілком несподівано”

Дослідники з Університету Турку у Фінляндії виявили, що вісь обертання a[{” 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. 

Враження художника про рентгенівську подвійну систему MAXI J1820 + 070, яка містить чорну діру (маленька чорна точка в центрі газового диска) та зірку-компаньйон. Вузький струмінь спрямований уздовж осі обертання чорної діри, яка сильно відхилена від осі обертання орбіти. Картина була створена з легкістю. Авторство і права: Р. Хайнс

Слідуючи за цими струменями, дослідники змогли дуже точно визначити напрямок осі обертання чорної діри. Коли кількість газу, що падає від зірки-компаньйона в чорну діру, пізніше почала зменшуватися, температура системи охолонула, і велика частина світла в системі надходила від зірки-компаньйона. Таким чином дослідники змогли виміряти нахил орбіти за допомогою спектроскопічних методів, і це приблизно збігалося з нахилом балістики.

“Щоб визначити тривимірну орбіту орбіти, потрібно також знати кут положення системи на небі, тобто, як система обертається відносно напрямку на північ на небі. Це було виміряно за допомогою методів поляриметрії”, – говорить Юрій Потанін.

Результати, опубліковані в Science, відкривають цікаві перспективи для вивчення утворення чорних дір і еволюції таких систем, оскільки важко отримати таку екстремальну нерівновагу в багатьох сценаріях утворення чорних дір і бінарної еволюції.

Різниця понад 40 градусів між орбітальною віссю і обертанням чорної діри була абсолютно несподіваною. Вчені часто припускали, що ця різниця була дуже малою, коли вони моделювали поведінку матерії у викривленому часовому просторі навколо чорної діри. Існуючі моделі вже є складними, і тепер нові знахідки змушують нас додати до них новий вимір», – каже Потанін.

Довідка: «Орбітально-орбітальний дисбаланс обертання чорної діри в рентгенівському подвійному MAXI J1820+070» Гурі Потанін, Олександра Веледіна, Андрій В Бердюгіна, Світлана В Бердюгіна, Хелен Гермак, Петро Дж. Юнкер, Гарі JE Кагава, Ілля Козенков, Вадим Кравцов Філіппо Перола, Маніша Шреста, Мануель А. Перес-Торрес і Серж С. Циганков, 24 лютого 2022 р. Доступно тут. знати.
DOI: 10.1126 / science.abl4679

Головне відкриття було зроблено за допомогою власного поляриметра DIPol-UF, встановленого на Північному оптичному телескопі, спільною власністю Університету Турку та Орхуський університет в Данії.