Черна дупка, обикаляща до нея – „напълно неочаквана“

Изследователи от университета в Турку във Финландия установиха, че оста на въртене на 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. 

Впечатление на художник от рентгеновата двоична система MAXI J1820 + 070, която съдържа черна дупка (малка черна точка в центъра на газовия диск) и звезда-придружител. По оста на въртене на черната дупка е насочена тясна струя, която е силно изкривена от оста на въртене на орбитата. Изображението беше създадено с бриз. Кредит: Р. Хайнс

Следвайки тези струи, изследователите успяха да определят много точно посоката на оста на въртене на черната дупка. Когато по-късно количеството газ, падащо от придружаващата звезда в черната дупка, започна да намалява, температурата на системата се охлади и голяма част от светлината в системата идва от придружаващата звезда. По този начин изследователите успяха да измерят наклона на орбитата с помощта на спектроскопски техники и това приблизително съвпадна с наклона на балистиката.

„За да се определи 3D ориентацията на орбитата, човек също трябва да знае ъгъла на позицията на системата в небето, което означава как системата се върти спрямо посоката на север в небето. Това е измерено с помощта на техники на поляриметрия“, казва Юри Потанин.

Резултатите, публикувани в Science, отварят интересни перспективи за изследване на образуването на черни дупки и еволюцията на тези системи, тъй като такова екстремно неравновесие е трудно да се получи в много сценарии за образуване на черна дупка и бинарна еволюция.

Разликата от повече от 40 градуса между орбиталната ос и въртенето на черната дупка беше напълно неочаквана. Учените често приемаха, че тази разлика е много малка, когато моделираха поведението на материята в извито времево пространство около черна дупка. Съществуващите модели вече са сложни и сега новите открития ни принуждават да добавим ново измерение към тях“, казва Потанин.

Справка: „Дисбаланс на въртенето на черната дупка в орбита и орбита в рентгенов двоичен MAXI J1820+070” от Гури Потанин, Александра Веледина, Андрей В Бердюгина, Светлана В Бердюгина, Хелън Гермак, Петър Дж. Юнкер, Гари JE Кагава, Иля Козенков, Вадим Кравцов Филипо Перола, Маниша Шреста, Мануел А. Перес-Торес и Серж С. Циганков, 24 февруари 2022 г. Достъпно тук. да знам.
DOI: 10.1126 / science.abl4679

Основният резултат е направен с помощта на собствения DIpol-UF поляриметър, инсталиран в Северния оптичен телескоп, съвместна собственост на Университета в Турку с Университет Орхус в Дания.