Jak szybko wirują czarne dziury?

Na odbywającym się w Pradze zjeździe Międzynarodowego Związku Astronomów (pisaliśmy o nim kilka dni temu tutaj) grupa amerykańskich naukowców (Jeffrey E. McClintock, Rebecca Shafee, Ramesh Narayan, Ronald A. Remillard, Shane W. Davis, Li-Xin Li) przedstawiła wyniki obserwacji rentgenowskich czarnych dziur.

Sporym zaskoczeniem okazała się wartość momentu pędu (określającego jak szybko wiruje czarna dziura) układu podwójnego GRS 1915+105, najbardziej znanego mikrokwazara w naszej Galaktyce. Oszacowano ją mianowicie na co najmniej 98% wartości krytycznej (a > 0.98M), dla której powstałaby tzw. ekstremalna czarna dziura Kerra.

Odległy od nas o 36 tys. lat świetlnych układ podwójny GRS 1915+105 (po lewej jego wizja artystyczna) składa się z czarnej dziury 14 razy masywniejszej niż Słońce, oraz gigantycznej gwiazdy typu K-M III. Czarna dziura wysysa materię ze swojego towarzysza, która okrążając ją w miarę spadania ku horyzontowi zdarzeń tworzy tzw. dysk akrecyjny. Jego wewnętrzna część jest rozgrzana do tego stopnia, że emituje znaczne ilości promieniowania rentgenowskiego. GRS 1915+105 znany jest także z emisji relatywistycznych dżetów - poruszających się z prędkościami przyświetlnymi strug materii o masie sporych asteroid, wyrywanych co kilkadziesiąt minut z dysku akrecyjnego.

Chociaż dokładny mechanizm powstawania dżetów wciąż nie jest znany, ich występowanie od wielu lat wiązano z wysoką wartością momentu pędu czarnej dziury. Potwierdzałyby to zaprezentowane w Pradze szacunki, oparte na analizie spektrum promieniowania rentgenowskiego emitowanego przez GRS 1915+105, a zmierzonego przez satelitę Rossi X-ray Timing Explorer. Wynik grupy McClintocka różni się przy tym znacznie od wcześniejszych oszacowań, określających wartość momentu pędu na ok. 70% wartości krytycznej.

Teoretycznym modelem opisującym zachowanie obracającej się czarnej dziury jest w ogólnej teorii względności tzw. rozwiązanie Kerra. Poniższe dwa diagramy, w dwóch różnych układach współrzędnych (Boyer-Lindquista i Kerra-Schilda) pokazują geometrię rozwiązania Kerra odpowiadającego astrofizycznej czarnej dziurze GRS 1915+105 (moment pędu a = 0.99M). Widać na nich zewnętrzną ergosferę, horyzont zdarzeń r₊, horyzont Cauchy'ego r_-, wewnętrzną ergosferę. Na drugim diagramie widać dodatkowo pierścieniowatą osobliwość Kerra. W miarę wzrostu wartości momentu pędu maleje odległość metryczna pomiędzy zewnętrznym i wewnętrznym horyzontem zdarzeń r₊ i r_-. Dla wartości krytycznej (a = 1M) stapiają się one w jeden, i mamy do czynienia z ekstremalną czarną dziurą Kerra. Dla jeszcze szybciej obracających się czarnych dziur Kerra horyzont zdarzeń znika, i powstaje naga osobliwość.

źródło: Dissertatio cum Nuncio Sidereo III