A mellette keringő fekete lyuk – „teljesen váratlan”

A finn Turku Egyetem kutatói azt találták, hogy a forgástengely 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. 

Egy művész benyomása a MAXI J1820 + 070 bináris röntgenrendszerről, amely egy fekete lyukat (egy kis fekete pontot a gáznemű korong közepén) és egy kísérőcsillagot tartalmaz. A fekete lyuk forgástengelye mentén keskeny sugár irányul, amely erősen el van ferdítve a pálya forgástengelyétől. A kép szellővel készült. Köszönetnyilvánítás: R. Hynes

Ezeket a fúvókákat követve a kutatók nagyon pontosan meg tudták határozni a fekete lyuk forgástengelyének irányát. Amikor később a kísérőcsillagból a fekete lyukba hulló gáz mennyisége csökkenni kezdett, a rendszer hőmérséklete lehűlt, és a rendszerben lévő fény nagy része a kísérőcsillagtól származott. A kutatók így spektroszkópiai technikákkal meg tudták mérni a pálya dőlését, és ez nagyjából egybeesett a ballisztika dőlésszögével.

„A pálya 3D-s orientációjának meghatározásához ismerni kell a rendszer égbolt helyzetének szögét is, ami azt jelenti, hogy a rendszer hogyan forog az égbolt északi irányához képest. Ezt polarimetriás technikával mérték” – mondja. Juri Potanin.

A Science-ben megjelent eredmények érdekes távlatokat nyitnak a fekete lyukak kialakulásának és az ilyen rendszerek evolúciójának tanulmányozása felé, mivel a fekete lyukak kialakulásának és a bináris evolúciónak számos forgatókönyvében nehéz ilyen szélsőséges egyensúlyhiányt elérni.

Teljesen váratlan volt a több mint 40 fokos különbség a pályatengely és a fekete lyuk forgása között. A tudósok gyakran feltételezték, hogy ez a különbség nagyon kicsi, amikor modellezték az anyag viselkedését egy fekete lyuk körüli görbe időtérben. A meglévő modellek már így is összetettek, és most az új eredmények arra kényszerítenek bennünket, hogy új dimenziót adjunk hozzájuk” – mondja Potanin.

Hivatkozás: Guri Potanin, Alexandra Veledina, Andrei V Berdyugina, Svetlana V Berdyugina, Helen Germak, Peter J. Juncker, Gary JE Kagava, Ilya Kozenkov, „Orbit-Orbit Black Hole rotation egyensúlyhiány a X-ray binary MAXI J1820+070-ben”, Vadim Kravcov Filippo Perola, Manisha Shrestha, Manuel A. Perez-Torres és Serge S. Tsygankov, 2022. február 24. Elérhető itt. tudni.
DOI: 10.1126 / science.abl4679

A fő felfedezést az Északi Optikai Teleszkópnál telepített, házon belül épített DIPol-UF polariméter segítségével tették, amely a Turkui Egyetem közös tulajdonában van. Aarhusi Egyetem Dániában.