איור של אירוע שיבוש גאות ושפל (TDE). טכניקה חדשה של מדעני MIT ונאס"א משתמשת בתנודות דיסק צבירה מ-TDEs כדי למדוד ספינים של חורים שחורים, ומציעה תובנות לגבי האבולוציה שלהם על ידי מעקב אחר הבזקי רנטגן. קרדיט: קארל נוקס – אוזגרב, מרכז המצוינות של ARC לגילוי גלי כבידה, אוניברסיטת סווינבורן לטכנולוגיה
חוקרים פיתחו דרך חדשה לחקור חורים שחורים סופר מסיביים ואת התפתחותם ברחבי היקום.
מדענים ב MIT, נאס"אובמקומות אחרים פיתחו שיטה למדידה חור שחור סיבובים תוך שימוש בנדנוד של דיסקיות הצטברות כתוצאה מאירועי שיבוש גאות ושפל. הטכניקה, הכוללת מעקב אחר הבזקי רנטגן מאירועים אלה, חשפה את הספין של חור שחור סופר-מסיבי סמוך להיות פחות מ-25% ממהירות האור. גישה חדשה זו יכולה לעזור להבין את ההיסטוריה האבולוציונית של חורים שחורים ברחבי היקום.
שיטה חדשה למדידת ספינים של חור שחור
לאסטרונומים יש דרך חדשה למדוד כמה מהר מסתובב חור שחור, על ידי שימוש בתוצאות המתנודדות של משתה הכוכבים שלו.
השיטה מנצלת אירוע של שיבוש גאות ושפל של חור שחור – רגע בהיר להפליא שבו חור שחור מפעיל גאות על כוכב חולף וקורע אותו לגזרים. כאשר הכוכב מופרע על ידי כוחות הגאות העצומים של החור השחור, חצי מהכוכב מועף, בעוד החצי השני מוטל סביב החור השחור, ויוצר דיסקת הצטברות חמה מאוד של חומר כוכבי מסתובב.
מעקב אחר הבזקי רנטגן וספין חור שחור
הצוות בראשות MIT הראה שהנדנוד של דיסק ההצטברות החדש שנוצר הוא המפתח לפתרון הספין המובנה של החור השחור המרכזי.
במחקר שפורסם לאחרונה ב טֶבַע, האסטרונומים מדווחים שהם מדדו את הספין של חור שחור סופר מסיבי סמוך על ידי מעקב אחר תבנית הבזקי רנטגן שהחור השחור יצר מיד לאחר אירוע שיבוש גאות ושפל. הצוות עקב אחר ההבזקים במשך מספר חודשים וקבע שהם ככל הנראה סימן לדיסק צבירה בוהק-חם שהתנדנד קדימה ואחורה כשהיא נדחפת ונמשכת על ידי הסיבוב של החור השחור עצמו.
על ידי מעקב אחר האופן שבו תנודת הדיסק השתנתה לאורך זמן, המדענים יכלו להבין עד כמה הדיסק מושפע מהסיבוב של החור השחור, ובתמורה, באיזו מהירות הסתובב החור השחור עצמו. הניתוח שלהם הראה שהחור השחור מסתובב בפחות מ-25 אחוז ממהירות האור – איטית יחסית, ככל שהחורים השחורים הולכים.
מדידת אבולוציה של חור שחור
המחבר הראשי של המחקר, מדען המחקר של MIT Dheeraj "DJ" Pasham, אומר שהשיטה החדשה יכולה לשמש כדי לאמוד את הספינים של מאות חורים שחורים ביקום המקומי בשנים הקרובות. אם מדענים יכולים לסקר את הספינים של חורים שחורים רבים בקרבת מקום, הם יכולים להתחיל להבין כיצד ענקי הכבידה התפתחו במהלך ההיסטוריה של היקום.
"על ידי לימוד מספר מערכות בשנים הקרובות בשיטה זו, אסטרונומים יכולים להעריך את ההתפלגות הכוללת של ספינים של חורים שחורים ולהבין את השאלה ארוכת השנים כיצד הם מתפתחים לאורך זמן", אומר פאשם, חבר במכון קאולי לאסטרופיזיקה של MIT. מחקר חלל.
מחברי המחקר כוללים משתפי פעולה ממספר מוסדות, כולל נאס"א, אוניברסיטת מסריק ב- הרפובליקה הצ'כיתאוניברסיטת לידס, אוניברסיטת סירקיוז, אוניברסיטת תל אביב, האקדמיה הפולנית למדעים ובמקומות אחרים.
איור סכמטי זה מתאר את הקדמה של דיסק צבירה שנוצר מפסולת של כוכב מופרע סביב חור שחור סופר מסיבי (SMBH). הפאנל השמאלי מציג את שלב הקדנציה כאשר דיסק ההצטברות קרוב לתצורת קצה, מה שגורם לכך ששטח הדיסק הקטן יותר נצפה ובכך נמוך יותר בהירות. המתבונן יכול לראות בעיקר את החלקים הקרים והחיצוניים יותר של הדיסקה הקודמת. הפאנל הימני מתאר שלב קדנציה כמעט מול הפנים, כאשר שטח הדיסק הנראה גדול יותר ומכאן שגם הבהירות גדלה. החלקים הפנימיים והחמים יותר של הדיסק נחשפים אז במלואם. קרדיט: באדיבות Michal Zajacek & Dheeraj Pasham
תובנות מאירועי שיבוש גאות ושפל
לכל חור שחור יש ספין מובנה שעוצב על ידי המפגשים הקוסמיים שלו לאורך זמן. אם, למשל, חור שחור גדל בעיקר באמצעות הצטברות – מקרים קצרים שבהם חומר כלשהו נופל על הדיסק, הדבר גורם לחור השחור להסתחרר במהירויות גבוהות למדי. לעומת זאת, אם חור שחור גדל בעיקר על ידי התמזגות עם חורים שחורים אחרים, כל מיזוג יכול להאט את הקצב כאשר ספין של חור שחור אחד נפגש עם הספין של השני.
כאשר חור שחור מסתובב, הוא גורר איתו את המרחב-זמן שמסביב. אפקט גרור זה הוא דוגמה לקדנציה של עדשות-Thirring, תיאוריה ארוכת שנים המתארת את הדרכים שבהן שדות כבידה חזקים במיוחד, כמו אלה שנוצרים על ידי חור שחור, יכולים למשוך את המרחב והזמן שמסביב. בדרך כלל, השפעה זו לא תהיה ברורה סביב חורים שחורים, מכיוון שהעצמים המסיביים אינם פולטים אור.
אבל בשנים האחרונות, פיסיקאים הציעו שבמקרים כמו במהלך אירוע שיבוש גאות ושפל, או TDE, למדענים עשויה להיות הזדמנות לעקוב אחר האור מפסולת כוכבים בזמן שהוא נגרר. לאחר מכן, הם עשויים לקוות למדוד את הספין של החור השחור.
בפרט, במהלך TDE, מדענים חוזים שכוכב עלול ליפול על חור שחור מכל כיוון, וליצור דיסק של חומר לבן-לוהט, מגורר שעלול להיות מוטה, או לא נכון, ביחס לסחרור של החור השחור. (דמיינו את דיסק ההצטברות כסופגנייה מוטה שמסתובבת סביב חור סופגניה שיש לו ספין נפרד משלה.) כשהדיסק נתקל בסיבוב של החור השחור, הוא מתנדנד כשהחור השחור מושך אותו ליישור. בסופו של דבר, הנדנוד נרגע כשהדיסק מתמקם בסחרור של החור השחור. מדענים חזו שדיסק מתנדנד של TDE אמור להיות סימן מדיד של הספין של החור השחור.
"אבל המפתח היה לקבל את התצפיות הנכונות", אומר פאשם. "הדרך היחידה שאתה יכול לעשות זאת היא, ברגע שאירוע של שיבוש גאות ושפל, אתה צריך להביא טלסקופ להסתכל על האובייקט הזה ברציפות, במשך זמן רב מאוד, כדי שתוכל לחקור כל מיני לוחות זמנים, החל מדקות עד חודשים."
מלכוד בקצב גבוה
בחמש השנים האחרונות חיפש פאשם אחר אירועי שיבוש גאות ושפל שהם בהירים מספיק, וקרובים מספיק, כדי לעקוב במהירות ולעקוב אחר סימנים של קדימות עדשות. בפברואר 2020, הוא ועמיתיו התמזל מזלו, עם זיהויו של AT2020ocn, הבזק בהיר, שנבע מגלקסיה במרחק של כמיליארד שנות אור, אשר זוהה בתחילה ברצועה האופטית על ידי מתקן המעבר Zwicky.
מהנתונים האופטיים, נראה שהפלאש הוא הרגעים הראשונים לאחר TDE. בהיותו בהיר וגם קרוב יחסית, חשד פאשם שה-TDE עשוי להיות המועמד האידיאלי לחפש סימנים של נדנוד דיסק, ואולי למדוד את הספין של החור השחור במרכז הגלקסיה המארחת. אבל בשביל זה הוא יצטרך הרבה יותר נתונים.
"היינו זקוקים לנתונים מהירים ובעלי קצב גבוה", אומר פאשם. "המפתח היה לתפוס את זה בשלב מוקדם מכיוון שהקדנציה הזו, או הנדנוד, צריך להיות נוכח רק בשלב מוקדם. מאוחר יותר, והדיסק לא יתנדנד יותר."
הצוות גילה שטלסקופ NICER של נאס"א הצליח לתפוס את ה-TDE ולפקוח עליו עין ברציפות במשך חודשים בכל פעם. NICER – קיצור של Neutron star Interior Composition ExploreR – הוא טלסקופ רנטגן על תחנת חלל בינלאומית שמודד קרינת רנטגן סביב חורים שחורים וחפצי כבידה קיצוניים אחרים.
Pasham ועמיתיו בחנו את התצפיות של NICER על AT2020ocn במשך 200 ימים לאחר הזיהוי הראשוני של אירוע השיבוש הגאות והשפל. הם גילו שהאירוע פלט צילומי רנטגן שנראה היה שהם מגיעים לשיא כל 15 יום, במשך כמה מחזורים, לפני שבסופו של דבר נחלצו החוצה. הם פירשו את השיאים כפעמים שבהם דיסק ההצטברות של ה-TDE התנדנד פנים אל פנים, פולט קרני רנטגן ישירות לכיוון הטלסקופ של NICER, לפני שהתנדנד כשהיא ממשיכה לפלוט קרני רנטגן (בדומה לנפנף בפנס לעבר מישהו ומרחיק ממנו כל 15 יום ).
מסקנה וצפי עתיד
החוקרים לקחו את דפוס הנדנוד הזה ועבדו אותו לתוך התיאוריה המקורית של קדימות עדשות-Thirring. בהתבסס על הערכות של מסת החור השחור ושל הכוכב המשובש, הם הצליחו להגיע לאומדן לסיבוב החור השחור – פחות מ-25 אחוז ממהירות האור.
התוצאות שלהם מציינות את הפעם הראשונה שבה מדענים השתמשו בתצפיות של דיסק מתנדנד בעקבות אירוע של שיבוש גאות ושפל כדי להעריך את הספין של חור שחור.
"חורים שחורים הם חפצים מרתקים וזרימות החומר שאנו רואים נופלות עליהם יכולות ליצור כמה מהאירועים המאירים ביותר ביקום", אומר מחבר המחקר כריס ניקסון, פרופסור חבר לפיזיקה תיאורטית באוניברסיטת לידס. "למרות שיש הרבה שאנחנו עדיין לא מבינים, יש מתקני תצפית מדהימים שממשיכים להפתיע אותנו וליצור אפיקים חדשים לחקור. האירוע הזה הוא אחת ההפתעות האלה".
ככל שטלסקופים חדשים כמו מצפה הכוכבים רובין יגיעו לאינטרנט בשנים הקרובות, פשאם צופה הזדמנויות נוספות להצמיד ספינים של חורים שחורים.
"הספין של חור שחור סופר מסיבי מספר לך על ההיסטוריה של החור השחור הזה", אומר פאשם. "גם אם לחלק קטן מאלה שרובין לוכד יש סוג כזה של אותות, יש לנו עכשיו דרך למדוד את הספינים של מאות TDEs. אז נוכל להצהיר אמירה גדולה על האופן שבו חורים שחורים מתפתחים לאורך גיל היקום".
מחקר זה מומן, בחלקו, על ידי נאס"א וה- סוכנות החלל האירופית.
