Verificando a rotação de um buraco negro supermassivo – a teoria da relatividade geral de Einstein brilha

Representação esquemática do modelo de disco de acreção inclinado. O eixo de rotação do buraco negro deve estar reto para cima e para baixo nesta ilustração. A direção do jato aponta aproximadamente perpendicular ao plano do disco. O desalinhamento entre o eixo de rotação do buraco negro e o eixo de rotação do disco faz com que o disco gire e jato. Crédito: Yuzhou Cui et al. (2023), Intouchable Lab@Openverse e Zhejiang Lab

Galáxia M87 Buraco negro Mostra um jato oscilante, confirmando a sua rotação, conforme concluído a partir de um estudo de duas décadas que se alinha com as previsões da teoria geral da relatividade de Einstein.

A vizinha rádio galáxia M87, localizada a 55 milhões de anos-luz da Terra e contendo um buraco negro 6,5 bilhões de vezes maior que o Sol, mostra um fluxo oscilante que oscila para cima e para baixo com uma amplitude de cerca de 10 graus, confirmando a existência do negro buraco. embrulhos.

O estudo, liderado pelo pesquisador chinês Dr. Yuzhou Cui, foi publicado em natureza Em 27 de setembro, foi conduzido por uma equipe internacional utilizando uma rede global de radiotelescópios.

Através de uma extensa análise de dados do telescópio de 2000 a 2022, a equipa de investigação revelou um ciclo recorrente de 11 anos na precessão da base do jacto, conforme previsto pela teoria da relatividade geral de Einstein. O estudo liga a dinâmica do fluxo ao buraco negro supermassivo central, fornecendo evidências de que o buraco negro em M87 está em rotação.

Fenômenos de buraco negro supermassivo

Buracos negros supermassivos no centro de galáxias ativas – os corpos celestes mais instáveis ​​do nosso universo – podem acumular enormes quantidades de matéria devido à sua extraordinária força gravitacional e força gravitacional. plasma Os fluxos, conhecidos como jatos, aproximam-se da velocidade da luz e estendem-se por milhares de anos-luz.

O mecanismo de transferência de energia entre buracos negros supermassivos e seus discos de acreção e jatos relativísticos tem intrigado físicos e astrônomos há mais de um século. A teoria predominante sugere que a energia poderia ser extraída de um buraco negro em rotação, permitindo que parte do material que rodeia o buraco negro supermassivo fosse ejetado com energia significativa. No entanto, a rotação dos buracos negros supermassivos, um factor crucial neste processo e o parâmetro mais importante além da massa do buraco negro, não foi observada directamente.

Painel superior: estrutura do jato M87 a 43 GHz com base em dados de empilhamento semestrais observados de 2013 a 2018. As setas brancas indicam o ângulo de posição do jato em cada subparcela. Painel inferior: resultados melhor ajustados com base na imagem empilhada anualmente de 2000 a 2022. Os pontos verdes e azuis foram obtidos a partir de observações em 22 GHz e 43 GHz, respectivamente. A linha vermelha representa o melhor ajuste de acordo com o modelo da iniciativa. Crédito: Yuzhou Cui et al., 2023

Concentre-se em M87

Neste estudo, a equipa de investigação concentrou-se em M87, onde o primeiro jacto astrofísico observacional foi observado em 1918. Graças à sua proximidade, as regiões de formação de jactos perto do buraco negro podem ser resolvidas em detalhe usando interferometria de linha de base muito longa (VLBI). Também é representado pela imagem da sombra do buraco negro moderno usando o Event Horizon Telescope (EHT). Ao analisar dados VLBI do M87 adquiridos ao longo dos últimos 23 anos, a equipa detectou jactos precursores periódicos na sua base, fornecendo informações sobre o estado do buraco negro central.

Dinâmica e relatividade do buraco negro

No centro desta descoberta está a questão crucial: Que força no universo poderia mudar a direção de um jato tão poderoso? A resposta pode estar escondida no comportamento do disco de acreção, uma formação associada ao buraco negro supermassivo central.

À medida que o material em queda orbita o buraco negro devido ao seu momento angular, ele forma uma estrutura semelhante a um disco antes de espiralar gradualmente para dentro até ser fatalmente puxado para dentro do buraco negro. No entanto, se um buraco negro estiver em rotação, ele exerce uma influência significativa no espaço-tempo que o rodeia, fazendo com que os objetos próximos sejam puxados ao longo do seu eixo de rotação, um fenômeno conhecido como “arrasto de quadro”, que foi previsto pela teoria geral da relatividade de Einstein. .

A análise abrangente da equipe de pesquisa sugere que o eixo de rotação do disco de acreção se desvia do eixo de rotação do buraco negro, levando a um pré-jato. A detecção deste movimento fornece evidências inequívocas de que o buraco negro supermassivo em M87 está de facto em rotação, melhorando a nossa compreensão da natureza dos buracos negros supermassivos.

“Estamos satisfeitos com este importante resultado”, disse Yuzhou Cui, pesquisador de pós-doutorado no Laboratório Zhejiang, uma instituição de pesquisa em Hangzhou, e principal autor do estudo. “Como o desalinhamento entre o buraco negro e o disco é relativamente pequeno e o período de precessão é de cerca de 11 anos, a recolha de dados de alta resolução que rastreia a estrutura de M87 ao longo de duas décadas e uma análise abrangente são necessárias para obter este avanço.”

Kazuhiro Hada, do Observatório Astronômico Nacional do Japão, acrescentou: “Depois de obter imagens bem-sucedidas do buraco negro nesta galáxia usando EHT, se este buraco negro está girando ou não, tornou-se uma grande preocupação entre os cientistas”. “Agora a expectativa se transformou em certeza. Este monstruoso buraco negro já está girando.”

Contribuições e implicações futuras

Este trabalho utilizou um total de 170 épocas de observações adquiridas pela Rede VLBI do Leste Asiático (EAVN), pelo Very Long Baseline Array (VLBA), pelo Conjunto Conjunto de KVN e VERA (KaVA) e pelo Leste Asiático global até a Itália. (COMER) rede. No total, mais de 20 telescópios de todo o mundo contribuíram para este estudo.

Os radiotelescópios da China também contribuíram para este projeto, incluindo o radiotelescópio chinês Tianma, de 65 metros, com sua enorme antena parabólica e alta sensibilidade a comprimentos de onda milimétricos. Além disso, um radiotelescópio de 26 metros em Xinjiang melhora a resolução angular das observações EAVN. Dados de alta qualidade com alta sensibilidade e alta resolução angular são essenciais para obter esta conquista.

“O radiotelescópio Shigatse de 40 metros no Observatório Astronômico de Xangai melhorará a capacidade de geração de imagens milimétricas do EAVN. Em particular, o planalto tibetano, onde o telescópio está localizado, tem uma das melhores condições locais para observações de comprimento de onda (submilimétrico), ” disse o professor Zhiqiang Chen, diretor do Observatório Astronômico de Xangai da Academia Chinesa de Ciências, disse: “Isso atende às nossas expectativas de fortalecer as instalações nacionais para observação astronômica.”

Embora este estudo lance luz sobre o misterioso mundo dos buracos negros supermassivos, também apresenta enormes desafios. A estrutura do disco de acreção e a rotação exata do buraco negro supermassivo M87 ainda são em grande parte incertas. Este trabalho também prevê que haverá mais fontes com esta configuração, representando um desafio para os cientistas descobrirem.

Referência: “O bocal de jato conectando-se a um buraco negro giratório em M87” por Yucho Kuei, Kazuhiro Hada, Tomohisa Kawashima, Motoki Kino, Weikang Lin, Yusuke Mizuno, Hyunwook Ru, Markei Honma, Kono Yi, Jintao Yu, Jongho Park, Wu 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 e Yi Zhong, 27 de setembro de 2023, natureza.
doi: 10.1038/s41586-023-06479-6