Um buraco negro orbitando ao lado dele – ‘completamente inesperado’

Pesquisadores da Universidade de Turku, na Finlândia, descobriram que o eixo de rotação de um[{” 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. 

Impressão artística do sistema binário de raios X MAXI J1820 + 070 que contém um buraco negro (um pequeno ponto preto no centro do disco gasoso) e uma estrela companheira. Um jato estreito é direcionado ao longo do eixo de rotação do buraco negro, que é fortemente desviado do eixo de rotação da órbita. A imagem foi produzida com uma brisa. Crédito: R. Hynes

Ao seguir esses jatos, os pesquisadores conseguiram determinar a direção do eixo de rotação do buraco negro com muita precisão. Quando a quantidade de gás caindo da estrela companheira para o buraco negro mais tarde começou a diminuir, a temperatura do sistema esfriou e uma grande parte da luz no sistema veio da estrela companheira. Dessa forma, os pesquisadores conseguiram medir a inclinação da órbita usando técnicas espectroscópicas, e isso coincidiu aproximadamente com a inclinação da balística.

“Para determinar a orientação 3D da órbita, também é preciso conhecer o ângulo de posição do sistema no céu, o que significa como o sistema gira em relação à direção norte no céu. Isso foi medido usando técnicas de polarimetria”, diz Juri Potanin.

Os resultados publicados na Science abrem perspectivas interessantes para estudos sobre a formação de buracos negros e a evolução de tais sistemas, uma vez que é difícil obter um desequilíbrio tão extremo em muitos cenários de formação de buracos negros e evolução binária.

A diferença de mais de 40 graus entre o eixo orbital e a rotação do buraco negro foi completamente inesperada. Os cientistas frequentemente supunham que essa diferença era muito pequena quando modelavam o comportamento da matéria em um espaço de tempo curvo em torno de um buraco negro. Os modelos existentes já são complexos e agora as novas descobertas estão nos forçando a adicionar uma nova dimensão a eles”, diz Potanin.

Referência: “Desequilíbrio da rotação do buraco negro órbita-órbita no binário de raios X MAXI J1820 + 070” por Guri Potanin, Alexandra Veledina, Andrei V Berdyugina, Svetlana V Berdyugina, Helen Germak, Peter J. Juncker, Gary JE Kagava, Ilya Kozenkov, Vadim Kravtsov Filippo Pérola, Manisha Shrestha, Manuel A. Perez-Torres, and Serge S. Tsygankov, 24 de fevereiro de 2022 Disponível aqui. saber.
DOI: 10.1126 / science.abl4679

A principal descoberta foi feita usando o polarímetro DIPol-UF construído internamente, instalado no Telescópio Óptico do Norte, de propriedade conjunta da Universidade de Turku com Universidade de Aarhus na Dinamarca.