หลุมดำทำให้เราเข้าใจจักรวาลและกฎแห่งฟิสิกส์ เมื่อหลุมดำหมุนรอบตัวมันจะลากพื้นที่รอบ ๆ ไปและเปิดโอกาสให้นักดาราศาสตร์ศึกษาการทำนายของไอน์สไตน์เกี่ยวกับสัมพัทธภาพ
การดำรงอยู่ของหลุมดำอาจเป็นคำทำนายที่น่าสนใจที่สุดของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของ Einstein เมื่อมวลใด ๆ เช่นดาวฤกษ์มีขนาดเล็กกว่าขีด จำกัด แรงโน้มถ่วงของมันเองก็จะแรงมากจนวัตถุยุบตัวลงสู่จุดเอกพจน์หลุมดำ ในจิตใจที่ได้รับความนิยมบ่อแรงโน้มถ่วงอันยิ่งใหญ่นี้เป็นสถานที่ที่มีสิ่งแปลก ๆ เกิดขึ้น และตอนนี้ทีมที่เป็นศูนย์ดาราศาสตร์ฟิสิกส์ได้ทำการตรวจสอบหลุมดำที่มีมวลเป็นวงโคจรอย่างรวดเร็วจนหมุนตัวได้มากกว่า 950 ครั้งต่อวินาทีและผลักดันขีด จำกัด ความเร็วที่คาดการณ์ไว้สำหรับการหมุน
“ ฉันจะบอกว่าระบอบแรงดึงดูดของโลกนี้ห่างไกลจากประสบการณ์โดยตรงและรู้ตัวว่าเป็นโลกของอะตอมเอง” Jeffrey McClintock นักดาราศาสตร์ CfA กล่าว
การใช้เทคนิคในการวัดสปินที่พัฒนาร่วมกันโดย McClintock และนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ CfA Ramesh Narayan ทีมได้ใช้ข้อมูลดาวเทียม Rossi X-ray Timing Explorer ของนาซ่าเพื่อให้การตัดสินใจที่ตรงที่สุดที่สุดของการหมุนหลุมดำ
McClintock และ Narayan นำกลุ่มนานาชาติประกอบด้วย Rebecca Shafee, ภาควิชาฟิสิกส์ของมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด; Ronald Remillard, Kavli ศูนย์วิจัยดาราศาสตร์และอวกาศ, MIT; Shane Davis, มหาวิทยาลัยแห่งแคลิฟอร์เนีย, Santa Barbara และ Li-Xin Li, สถาบันดาราศาสตร์ฟิสิกส์ Max-Planck ประเทศเยอรมนี ผลลัพธ์ถูกตีพิมพ์ในวารสาร Astrophysical Journal ของวันนี้
“ ตอนนี้เรามีค่าที่ถูกต้องสำหรับอัตราการหมุนของสามหลุมดำ” McClintock กล่าว “ สิ่งที่น่าตื่นเต้นที่สุดคือผลลัพธ์ของเราสำหรับ microquasar GRS1915 + 105 ซึ่งมีสปินอยู่ระหว่าง 82% ถึง 100% ของมูลค่าสูงสุดทางทฤษฎี”
“ ผลลัพธ์นี้มีนัยสำคัญในการอธิบายว่าหลุมดำปล่อยไอพ่นออกมาได้อย่างไรเพื่อจำลองแหล่งที่มาของการปะทุรังสีแกมม่าและการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง” Narayan นักทฤษฎีกล่าว
ทำไมนักดาราศาสตร์สนใจเรื่องการหมุน
“ ในทางดาราศาสตร์หลุมดำนั้นถูกอธิบายอย่างสมบูรณ์โดยเพียงแค่ตัวเลขสองตัวที่ระบุมวลของมันและความเร็วในการหมุนเร็วแค่ไหน” McClintock กล่าว “ เรารู้ว่าไม่มีอะไรเรียบง่ายนี้นอกจากอนุภาคพื้นฐานเช่นอิเล็กตรอนหรือควาร์ก”
แม้ว่านักดาราศาสตร์จะประสบความสำเร็จในการวัดมวลหลุมดำพวกเขาพบว่ามันยากกว่าการวัดพารามิเตอร์พื้นฐานตัวที่สองของหลุมดำการหมุนรอบตัว
“ แท้จริงแล้วจนถึงปีนี้ยังไม่มีการประมาณสปินที่น่าเชื่อถือสำหรับหลุมดำใด ๆ ” Narayan กล่าว
แรงโน้มถ่วงของหลุมดำนั้นแรงมากจนเมื่อหลุมดำหมุนมันจะลากพื้นที่รอบข้างไป ขอบของรูหมุนนี้เรียกว่าขอบฟ้าเหตุการณ์ วัสดุใด ๆ ที่ข้ามขอบฟ้าเหตุการณ์จะถูกดึงเข้าไปในหลุมดำ
“ ความถี่การหมุนของหลุมดำที่เราวัดคืออัตราที่เวลาอวกาศหมุนหรือถูกลากไปที่ขอบฟ้าเหตุการณ์ของหลุมดำ” Narayan กล่าว
หลุมดำความเร็วสูง GRS 1915 เป็นหลุมดำไบนารี X-ray ขนาดใหญ่ที่สุดจำนวน 20 ดวงซึ่งปัจจุบันเป็นที่รู้จักกันดีโดยมีน้ำหนักประมาณ 14 เท่าของดวงอาทิตย์ เป็นที่รู้จักกันดีสำหรับคุณสมบัติที่เป็นเอกลักษณ์เช่นการพ่นไอพ่นของสสารที่เกือบจะเร็วของแสงและการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วในการปล่อยรังสีเอกซ์
ในช่วงไม่กี่ทศวรรษที่ผ่านมามีการค้นพบหลุมดำหลายสิบแห่งในระบบเลขฐานสองของ X-ray X-ray binary เป็นระบบที่วัตถุสองวงโคจรรอบกันและกันด้วยก๊าซจากดาวดวงหนึ่งซึ่งเป็นดาวปกติอย่างดวงอาทิตย์ซึ่งถูกถ่ายโอนอย่างต่อเนื่องไปยังอีกดวงหนึ่งในกรณีนี้คือหลุมดำ แก๊สหมุนวนลงสู่หลุมดำโดยกระบวนการที่เรียกว่าการสะสม เมื่อมันหมุนวนรอบตัวมันจะมีอุณหภูมิสูงถึงหลายล้านองศาและแผ่รังสีเอกซ์ออกมา ทีมใช้สเปกตรัม X-ray ของดิสก์สะสมของหลุมดำเพื่อพิจารณาการหมุน
เทคนิคนี้ขึ้นอยู่กับการทำนายที่สำคัญของทฤษฎีสัมพัทธภาพ: ก๊าซที่สะสมบนหลุมดำนั้นแผ่รังสีออกมาจนถึงรัศมีที่อยู่นอกหลุมดำ - นอกขอบฟ้าเหตุการณ์ของมัน ภายในรัศมีนี้ก๊าซตกลงไปในรูเร็วเกินไปที่จะสร้างรังสีได้มาก รัศมีที่สำคัญขึ้นอยู่กับการหมุนของหลุมดำดังนั้นการวัดรัศมีนี้จะให้ค่าประมาณของการหมุนโดยตรง รัศมีที่เล็กลงคือรังสีเอกซ์ที่ร้อนขึ้นจากดิสก์ อุณหภูมิของรังสีเอกซ์ควบคู่กับความสว่างของรังสีเอกซ์ให้รัศมีซึ่งในทางกลับกันอัตราการหมุนของหลุมดำ
“ เป็นเรื่องที่ยอดเยี่ยมมากที่สามารถวัดสิ่งพื้นฐานนี้ได้” Rebecca Shafee ผู้เป็นนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาในภาควิชาฟิสิกส์ของมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ดกล่าว “ วิธีการของเราง่ายมากในแนวคิดและเข้าใจง่าย เราโชคดีมากที่มีหอสังเกตการณ์ X-ray อันทรงพลังเช่น Rossi X-ray Timing Explorer ในอวกาศและกล้องโทรทรรศน์บนโลกเพื่อทำการวัดที่เราต้องการ”
การค้นหาสาเหตุของการปะทุรังสีแกมม่าซึ่งอาจเป็นช่วงเวลาที่แสงแฟลชที่สว่างที่สุดในจักรวาลอาจได้รับความช่วยเหลือจากผลลัพธ์ของทีม นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ทฤษฎี Stan Woosley จากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียซานตาครูซได้จำลองการระเบิดของรังสีแกมม่าจากการล่มสลายของดาวมวลสูง อย่างไรก็ตามโมเดลเหล่านี้ขึ้นอยู่กับการดำรงอยู่ของหลุมดำที่มีการหมุนสูงมากซึ่งจนถึงขณะนี้ยังไม่เคยได้รับการยืนยัน
“ สิ่งนี้สำคัญอย่างยิ่ง” วูสลีย์บอก “ ฉันไม่รู้ว่าจะสามารถทำการวัดได้เช่นนี้”
กระดาษสรุปว่า GRS 1915 และอีกสองหลุมดำที่ศึกษาโดยทีมเกิดมาพร้อมกับสปินสูง กล่าวคือแกนกลางที่ยุบตัวของดาวมวลสูงดั้งเดิมนั้นเทโมเมนตัมเชิงมุมลงไปในหลุมดำ
“ ตั้งแต่ชุมชนคิดมาหลายปีแล้วว่าจะวัดมวลของหลุมดำได้อย่างไรการหมุนรอบตัวถือเป็นจอกศักดิ์สิทธิ์ในสาขานี้” แมคคลินทอคกล่าว “ เทคนิคที่เราใช้กับ GRS 1915 สามารถนำไปใช้กับไบนารี X-ray อื่น ๆ ของหลุมดำได้ เราแทบรอไม่ไหวที่จะเห็นสิ่งที่เราพบ! '”
“ หนึ่งในความหวังที่เราชื่นชอบคือระบบหลุมดำที่เรากำลังศึกษาอยู่นั้นจะถูกศึกษาโดยกลุ่มอื่น ๆ โดยใช้วิธีการวัดที่ชื่นชอบของพวกเขา” Narayan กล่าว “ เมื่อวิธีการอื่น ๆ เหล่านี้ได้รับการพัฒนาต่อไปและมีความน่าเชื่อถือมากขึ้นการเปรียบเทียบข้ามผลลัพธ์จากวิธีการต่าง ๆ จะน่าสนใจที่สุด”
แหล่งต้นฉบับ: CfA News Release
