Süper kütleli bir kara deliğin dönüşünün doğrulanması – Einstein’ın genel görelilik teorisi parlıyor

Galaksi M87 Kara delik Einstein’ın genel görelilik teorisinin tahminleriyle uyumlu olan yirmi yıllık bir çalışmanın sonucuna göre, salınımlı bir jet gösteriyor ve bu da onun dönüşünü doğruluyor.

Dünya’dan 55 milyon ışıkyılı uzaklıkta bulunan ve Güneş’ten 6,5 milyar kat daha büyük bir kara delik içeren yakındaki radyo galaksisi M87, yaklaşık 10 derecelik bir genlikle yukarı ve aşağı salınan salınımlı bir akış gösteriyor ve bu da siyahın varlığını doğruluyor. delik. sarar.

Çinli araştırmacı Dr. Yuzhou Cui başkanlığındaki çalışma, doğa 27 Eylül’de, küresel bir radyo teleskop ağını kullanan uluslararası bir ekip tarafından gerçekleştirildi.

Araştırma ekibi, 2000’den 2022’ye kadar olan teleskop verilerinin kapsamlı analizi yoluyla, Einstein’ın genel görelilik teorisinin öngördüğü gibi, jetin tabanının deviniminde 11 yıllık yinelenen bir döngüyü ortaya çıkardı. Çalışma, akış dinamiklerini merkezi süper kütleli kara deliğe bağlayarak M87’deki kara deliğin döndüğüne dair kanıt sağlıyor.

Süper kütleli kara delik fenomeni

Evrenimizdeki en kararsız gök cisimleri olan aktif galaksilerin merkezinde bulunan süper kütleli kara delikler, olağanüstü çekim kuvveti ve çekim kuvveti nedeniyle çok büyük miktarlarda madde biriktirebilirler. plazma Jetler olarak bilinen akışlar ışık hızına yaklaşıyor ve binlerce ışık yılı boyunca uzanıyor.

Süper kütleli kara delikler ile bunların birikim diskleri ve göreli jetler arasındaki enerji aktarımının mekanizması, fizikçileri ve gökbilimcileri bir yüzyıldan fazla bir süredir şaşırtmaktadır. Geçerli teori, enerjinin dönen bir kara delikten elde edilebileceğini ve süper kütleli kara deliği çevreleyen malzemenin bir kısmının önemli bir enerjiyle dışarı atılmasına izin verebileceğini öne sürüyor. Ancak bu süreçte çok önemli bir faktör olan ve kara delik kütlesi dışındaki en önemli parametre olan süper kütleli kara deliklerin dönüşü doğrudan gözlemlenemedi.

Üst panel: 2013’ten 2018’e kadar gözlemlenen altı aylık yığınlama verilerine dayanan 43 GHz’deki M87 jet yapısı. Beyaz oklar, her alt grafikteki jet konumu açısını gösterir. Alt panel: 2000’den 2022’ye kadar yıllık yığılmış görüntüye dayalı en iyi sonuçlar. Yeşil ve mavi noktalar sırasıyla 22 GHz ve 43 GHz’deki gözlemlerden elde edildi. Kırmızı çizgi girişim modeline göre en iyi uyumu temsil etmektedir. Katkıda bulunanlar: Yuzhou Cui ve diğerleri, 2023

M87’ye odaklanın

Bu çalışmada araştırma ekibi, ilk gözlemsel astrofiziksel jetin 1918 yılında gözlemlendiği M87’ye odaklandı. Yakınlığı sayesinde, kara deliğin yakınındaki jet oluşum bölgeleri, çok uzun temel çizgi interferometrisi (VLBI) kullanılarak ayrıntılı olarak çözülebiliyor. Aynı zamanda modern kara deliğin gölgesinin Olay Ufku Teleskobu (EHT) kullanılarak görüntülenmesiyle de temsil edilmektedir. Son 23 yılda elde edilen M87’den elde edilen VLBI verilerini analiz eden ekip, üssünde periyodik öncü jetler tespit ederek merkezi kara deliğin durumu hakkında bilgi sağladı.

Kara delik dinamiği ve görelilik

Bu keşfin temelinde can alıcı soru yatıyor: Evrendeki hangi kuvvet bu kadar güçlü bir jetin yönünü değiştirebilir? Cevap, merkezi süper kütleli kara delikle ilişkili bir oluşum olan birikim diskinin davranışında gizli olabilir.

Düşen malzeme, açısal momentumu nedeniyle kara deliğin yörüngesinde dönerken, disk benzeri bir yapı oluşturur ve ardından kara deliğin içine çekilinceye kadar kademeli olarak içe doğru spiral çizer. Bununla birlikte, eğer bir kara delik dönüyorsa, onu çevreleyen uzay-zaman üzerinde önemli bir etki yaparak yakındaki nesnelerin kendi dönme ekseni boyunca çekilmesine neden olur; bu, Einstein’ın genel görelilik teorisi tarafından tahmin edilen, “kare sürüklenmesi” olarak bilinen bir olgudur. .

Araştırma ekibinin kapsamlı analizi, birikim diskinin dönme ekseninin kara deliğin dönme ekseninden saptığını ve bu durumun ön jete yol açtığını öne sürüyor. Bu hareketin tespiti, M87’deki süper kütleli kara deliğin gerçekten döndüğüne dair kesin kanıtlar sağlayarak, süper kütleli kara deliklerin doğasına dair anlayışımızı geliştiriyor.

Hangzhou’daki bir araştırma kurumu olan Zhejiang Laboratuvarı’nda doktora sonrası araştırmacı ve çalışmanın baş yazarı Yuzhou Cui, “Bu önemli sonuçtan memnunuz” dedi. “Kara delik ile disk arasındaki yanlış hizalama nispeten küçük olduğundan ve devinim periyodu yaklaşık 11 yıl olduğundan, bu atılımı elde etmek için M87’nin yapısını yirmi yıl boyunca takip eden yüksek çözünürlüklü veri toplama ve kapsamlı analiz gereklidir.”

Japonya Ulusal Astronomi Gözlemevi’nden Dr. Kazuhiro Hada şunları ekledi: “Bu galaksideki kara deliği EHT kullanarak başarıyla görüntüledikten sonra, bu kara deliğin dönüp dönmediği bilim adamları arasında büyük bir endişe haline geldi.” “Artık beklenti kesinliğe dönüştü. Bu devasa kara delik zaten dönüyor.”

Gelecekteki katkılar ve çıkarımlar

Bu çalışma, Doğu Asya VLBI Ağı (EAVN), Çok Uzun Temel Çizgi Dizisi (VLBA), KVN ve VERA Ortak Dizisi (KaVA) ve küresel Doğu Asya’dan İtalya’ya kadar elde edilen toplam 170 dönemlik gözlemlerden yararlanmıştır. (YEMEK) ağı. Toplamda dünyanın dört bir yanından 20’den fazla teleskop bu çalışmaya katkıda bulunmuştur.

Çin’in radyo teleskopları da bu projeye katkıda bulundu; bunlar arasında devasa çanağı ve milimetrik dalga boylarına karşı yüksek duyarlılığı olan Çin’in 65 metrelik Tianma radyo teleskopu da yer alıyor. Ayrıca Sincan’daki 26 metrelik radyo teleskop, EAVN gözlemlerinin açısal çözünürlüğünü artırıyor. Bu başarıyı elde etmek için yüksek hassasiyete ve yüksek açısal çözünürlüğe sahip yüksek kaliteli veriler esastır.

“Şanghay Astronomi Gözlemevi’ndeki 40 metrelik Shigatse radyo teleskopu, EAVN’nin milimetre görüntüleme yeteneğini artıracak. Özellikle, teleskobun bulunduğu Tibet Platosu, (milimetre altı) dalga boyu gözlemleri için en iyi saha koşullarından birine sahip. diyen Çin Bilimler Akademisi Şangay Astronomi Gözlemevi Direktörü Prof. Zhiqiang Chen, şunları söyledi: “Astronomik gözlem için yerli tesislerin güçlendirilmesi yönündeki beklentilerimizi karşılıyor.”

Bu çalışma süper kütleli kara deliklerin gizemli dünyasına ışık tutarken aynı zamanda çok büyük zorlukları da beraberinde getiriyor. Biriktirme diskinin yapısı ve M87 süper kütleli kara deliğin kesin dönüşü hala büyük ölçüde belirsizdir. Bu çalışma aynı zamanda bu konfigürasyona sahip daha fazla kaynağın bulunacağını öngörüyor ve bu da bilim adamlarının keşfetmesi için bir zorluk teşkil ediyor.

Referans: Yucho Kuei, Kazuhiro Hada, Tomohisa Kawashima, Motoki Kino, Weikang Lin, Yusuke Mizuno, Hyunwook Ru, Markei Honma, Kono Yi, Jintao Yu, Jongho Park, Wu tarafından “M87’deki dönen bir kara deliğe bağlanan jet nozülü” Jiang, Zhiqiang Chen, Evgenia Kravchenko, Juan Carlos Algaba, Xiaoping Cheng, Eli Zhou, Gabriele Giovannini, Marcello Giroletti, Taehyun Jung, Ru Sin Lu, Kotaro Ninuma, Jungwan Oh, Ken Ohsuga, Satoko Sawada Satoh, Bong Won Son, Hiroyuki R Takahashi, Meeko Takamura, Fumi Tazaki, Sasha Tripp, Kiyoaki Wajima, Kazunori Akiyama, Tao An, Keiichi Asada, Salvatore Botaccio, Do Young-byun, Lang Kui, Yoshiaki Hagiwara, Tomoya Hirota, Jeffrey Hodgson, Noriyuki Kawaguchi, Jae-Young Kim, Sang Song Lee, Ji-Won Lee, Jeong-Ee Lee, Giuseppe Maccaferri, Andrea Melis, Alexey Melnikov, Carlo Migoni, Si-Jin Oh, Koichiro Sugiyama, Xuezheng Wang, Yingkang Zhang, Zhong Chen, Jo-Yun Hwang, Dong-Kyu Jung, Heo-Ryung Kim, Jeong Suk Kim, Hideyuki Kobayashi, Bin Li, Guangwei Li, Xiaofei Li, Xiong Liu, Qinghui Liu, Xiang Liu, Chung Sik Oh, Tomoaki Aoyama, Duke Jiu Ruo, Jinqing Wang, Na Wang, Xiqiang Wang, Bo Xia, Hao Yan, Jae-hwan Yum, Yoshinori Yonekura, Jianping Yuan, Hua Zhang, Rongping Zhao ve Yi Zhong, 27 Eylül 2023, doğa.
doi: 10.1038/s41586-023-06479-6