illustration
© Robert LeaIlustracija prikazuje rotirajuću supermasivnu crnu rupu
Znanstvenici su otkrili da se neke supermasivne crne rupe okreću mnogo brže od očekivanog. Otkriće je došlo kao rezultat novog oblika "arheologije crnih rupa" koja povezuje vrtnje crne rupe s plinom i prašinom koju su potrošili za rast tijekom 7 milijardi godina kozmičke povijesti.

Nalazi, zahvaljujući Sloan Digital Sky Survey (SDSS), sugeriraju nekoliko stvari. Kao prvo, rani je svemir možda bio uređeniji nego što se prije pretpostavljalo. I drugo, rast supermasivnih crnih rupa kroz lanac spajanja sve većih i većih crnih rupa (pokrenut kada se galaksije sudaraju i stapaju) može biti dopunjen objektima koji se halapljivo hrane okolnim plinom i prašinom.

Član tima Logan Fries sa Sveučilišta Connecticut rekao je u izjavi:
"Proučavali smo divovske crne rupe pronađene u središtima galaksija, od danas pa sve do prije sedam milijardi godina. Neočekivano, otkrili smo da se vrte prebrzo da bi nastale samo spajanjem galaksija. Mora da su nastale velikim dijelom od materijala koji je upao unutra, glatko povečavajući crnu rupu i ubrzavajući njezinu rotaciju."
Mjerenje vrtnje crne rupe nije lako

Unatoč tome što su kozmička čudovišta koja oblikuju čitave galaksije oko sebe, supermasivne crne rupe s masama milijunima ili milijardama puta većim od Sunčeve (i njihove manje parnjake zvjezdane mase) općenito su prilično jednostavne.

Pojedinačno se mogu definirati samo trima karakteristikama: masom, spinom i, što je manje važno, električnim nabojem. Kao što je fizičar John Wheeler dosjetljivo objasnio ovaj nedostatak razlikovnih obilježja: "crne rupe nemaju kosu".

Fries je objasnio:
"Crne rupe se čine tako egzotičnim, ali možete ih u potpunosti opisati sa samo dva broja: masom i brzinom vrtnje. Problem je u tome što je masu teško izmjeriti, a vrtnju je još teže."
Spin diagram
© NASA/JPL-Caltech • Logan Fries and the SDSS collaborationUmjetnikov dojam crne rupe i njezinog akrecijskog diska s različitim vrtnjama.Desno odgovarajući viševalni spektar koji bi se promatrao u svakoj od njih.
Brzinu kojom se crna rupa vrti teško je razlikovati od brzine kojom se okreće okolni spljošteni oblak plina i prašine - akrecijski disk.

Jonathan Trump, član tima i istraživač sa Sveučilišta Connecticut, rekao je u izjavi:
"Izazov leži u odvajanju vrtnje crne rupe od vrtnje akrecijskog diska koji je okružuje. Ključ je promatrati najunutarnjiju regiju, gdje plin pada u horizont događaja crne rupe.

"Rotirajuća crna rupa povlači taj najdublji materijal za sobom, što dovodi do uočljive razlike kada pogledamo detalje u našim mjerenjima."
Kozmički fosilni zapis

Tim se uhvatio u koštac s izazovnim zadatkom određivanja vrtnje crnih rupa koristeći SDSS-ov projekt Reverberation Mapping. Ovaj projekt provodi iznimno precizna mjerenja mase za stotine crnih rupa, dok također provodi detaljna promatranja struktura akrecijskih diskova praznina.

Ovi podaci dolaze u obliku spektra ili svjetlosti emitirane preko elektromagnetskog spektra. S tim u ruci, znanstvenici mogu početi mjeriti brzinu kojom se središnja crna rupa okreće.

Suptilna promjena valne duljine svjetlosti otkriva mnogo o rotaciji crne rupe. Kada materijal padne u crnu rupu, sa sobom donosi i kutni moment — ta rotacija otkriva detalje o prošloj prehrani crne rupe.

Fries je rekao:
"Ovaj pristup nazivam 'arheologija crne rupe' jer pokušavamo razumjeti kako je masa crne rupe rasla tijekom vremena. Gledajući vrtnju crne rupe, u biti gledate njen fosilni zapis."
blackhole illustration
© Robert Lea/CanvaIlustracija supermasivne crne rupe u ranom kozmosu
Ovaj "fosilni zapis" može se dekodirati kada znanstvenici usporede promatranu brzinu vrtnje s onom što je predviđeno.

Trenutačno omiljeni model sugerira da supermasivne crne rupe rastu spajanjem izazvanim sudarom i spajanjem njihovih matičnih galaksija. Budući da ove pojedinačne galaksije imaju vlastite stope rotacije i nasumične orijentacije, kada se spoje, te bi se rotacije mogle poništiti. Ili bi se barem mogli kombinirati. Oba bi ishoda trebala biti jednako vjerojatna.

S obzirom na to, znanstvenici očekuju da bi se crne rupe trebale vrtjeti vrlo sporo. Međutim, to nije ono što je ovaj tim otkrio.
chart
© Left: Logan Fries and the SDSS collaborationTop right: NASA, ESA, and The Hubble Heritage Team (STScI)Bottom right: NASA/CXC/M.Weiss)Grafikon opažene vrtnje crne rupe kroz povijest svemira, od prošlosti do sadašnjosti koji se kreće slijeva nadesno. Obojene točke predstavljaju opažene vrtnje crnih rupa - plava pokazuje rotaciju u istom smjeru kao i akrecijski disk, siva pokazuje malu ili nikakvu rotaciju, a crvena pokazuje rotaciju u suprotnom smjeru. Zeleni oval pokazuje što bi se očekivalo od rasta crne rupe glatkom akrecijom; ružičasti oval pokazuje što bi se očekivalo od spajanja.
Dijagram starosti svemira

Ne samo da je ovo istraživanje otkrilo da se mnoge crne rupe vrte brže nego što se očekivalo, već je također pokazalo da se crne rupe u udaljenijim galaksijama vrte još brže od onih u lokalnom svemiru.

Ovo sugerira da bi se vrtnja crnih rupa mogla postupno razvijati tijekom vremena. Jedan od načina na koji bi se to moglo dogoditi je akumulacija kutnog momenta crne rupe postupnim skupljanjem prašine i plina.

Istraživači bi mogli dalje testirati ovu ideju i potvrditi ove rezultate pomoću promatranja svemirskog teleskopa James Webb ( JWST ), koji je u svoje tri godine rada pronalazio supermasivne crne rupe iz ranijih i ranijih epoha svemira.

Juna Kollmeier, direktorica SDSS-V, trenutne faze SDSS-a, rekla je:
"Crne rupe doista se nalaze na granici ljudskog razumijevanja. Poduzimamo golema istraživanja poput SDSS-a kako bismo izgradili empirijsku astrofizičku sliku njihovih temeljnih svojstava u odnosu na koje se naši teorijski modeli mogu staviti na test."
Fries je predstavio nalaze tima 14. siječnja na 245. sastanku Američkog astronomskog društva (AAS) u National Harboru, Maryland.