Tim ilmuwan internasional telah secara definitif mengukur laju putaran lubang hitam supermasif untuk pertama kalinya.
Temuan ini, yang dibuat oleh dua observatorium ruang angkasa sinar-X, Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR) dan European Space Agency XMM-Newton, memecahkan debat lama tentang pengukuran serupa di lubang hitam lainnya dan akan mengarah pada pemahaman yang lebih baik tentang bagaimana lubang hitam dan galaksi berevolusi.
"Kita dapat melacak materi ketika berputar ke dalam lubang hitam menggunakan sinar-X yang dipancarkan dari daerah yang sangat dekat dengan lubang hitam," kata Fiona Harrison, peneliti utama NuSTAR di Institut Teknologi California, Pasadena, dan rekan penulis sebuah studi baru yang muncul. dalam Nature edisi 28 Februari. "Radiasi yang kita lihat dibengkokkan dan terdistorsi oleh gerakan partikel, dan oleh gravitasi lubang hitam yang sangat kuat."
Konsep artis ini menggambarkan lubang hitam supermasif dengan jutaan hingga miliaran kali massa matahari kita. Lubang hitam supermasif adalah benda yang sangat padat yang terkubur di jantung galaksi. Dalam ilustrasi ini, lubang hitam supermasif di pusat dikelilingi oleh materi yang mengalir ke lubang hitam dalam apa yang disebut disk akresi. Disk ini terbentuk ketika debu dan gas di galaksi jatuh ke lubang, tertarik oleh gravitasinya. Juga ditunjukkan adalah semburan partikel energetik, yang diyakini ditenagai oleh putaran lubang hitam. Gambar milik NASA / JPL-Caltech.
Pembentukan lubang hitam supermasif dianggap mencerminkan pembentukan galaksi itu sendiri, karena sebagian kecil dari semua materi yang ditarik ke galaksi menemukan jalannya ke lubang hitam. Karena itu, para astronom tertarik untuk mengukur laju putaran lubang hitam di jantung galaksi.
Pengamatan juga merupakan ujian kuat teori relativitas umum Einstein, yang menyatakan bahwa gravitasi dapat membelokkan cahaya dan ruang-waktu. Teleskop sinar-X mendeteksi efek bengkok ini di lingkungan yang paling ekstrem, di mana medan gravitasi yang sangat besar dari lubang hitam sangat mengubah ruang-waktu.
NuSTAR, misi kelas NASA Explorer diluncurkan pada Juni 2012, dirancang secara unik untuk mendeteksi sinar-X energi tertinggi dengan sangat rinci. Untuk Livermore, pendahulu NuSTAR adalah instrumen balon yang dikenal sebagai HEFT (Teleskop Berfokus Energi Tinggi) yang didanai, sebagian, oleh investasi Penelitian dan Pengembangan yang Disutradarai Laboratorium mulai tahun 2001. NuSTAR mengambil kemampuan pemfokusan sinar-X HEFT dan mereka di luar atmosfer Bumi di satelit. Desain optik dan proses pembuatan untuk NuSTAR didasarkan pada yang digunakan untuk membangun teleskop HEFT.
NuSTAR melengkapi teleskop yang mengamati sinar-X energi rendah, seperti European Space Agency (ESA) XMM-Newton dan Chandra X-ray Observatory NASA. Para ilmuwan menggunakan teleskop ini dan lainnya untuk memperkirakan tingkat di mana lubang hitam berputar.
"Kita tahu bahwa lubang hitam memiliki hubungan yang kuat dengan galaksi induk semangnya," kata ahli astrofisika Bill Craig, anggota tim LLNL. "Mengukur putaran, salah satu dari beberapa hal yang dapat kita ukur langsung dari lubang hitam, akan memberi kita petunjuk untuk memahami hubungan mendasar ini."
Tim menggunakan NuSTAR untuk mengamati sinar-X yang dipancarkan oleh gas panas dalam disk tepat di luar "horizon peristiwa," batas yang mengelilingi lubang hitam di mana tidak ada apa pun, termasuk cahaya, dapat melarikan diri.
Para ilmuwan mengukur laju putaran lubang hitam supermasif dengan menyebarkan sinar-X ke berbagai warna. Cahaya berasal dari piringan akresi yang berputar di sekitar lubang hitam, seperti yang ditunjukkan dalam kedua konsep artis. Mereka menggunakan teleskop ruang angkasa sinar-X untuk mempelajari warna-warna ini, dan, khususnya, mencari "jari" besi - puncak yang ditunjukkan pada kedua grafik, atau spektrum - untuk melihat seberapa tajamnya. Model "rotasi" yang ditunjukkan di atas menyatakan bahwa fitur besi sedang disebarkan oleh efek distorsi yang disebabkan oleh gravitasi yang sangat besar dari lubang hitam. Jika model ini benar, maka jumlah distorsi yang terlihat pada fitur besi harus mengungkapkan laju putaran lubang hitam. Model alternatif menyatakan bahwa awan gelap yang terletak di dekat lubang hitam membuat garis besi tampak terdistorsi secara artifisial. Jika model ini benar, data tidak dapat digunakan untuk mengukur putaran lubang hitam. NuSTAR membantu menyelesaikan kasus ini, mengesampingkan model "awan penyamaran" alternatif. Gambar milik NASA / JPL-Caltech.
Pengukuran sebelumnya tidak pasti karena mengaburkan awan di sekitar lubang hitam, secara teori, telah membingungkan hasil. Dengan bekerja sama dengan XMM-Newton, NuSTAR dapat melihat jangkauan energi sinar-X yang lebih luas, menembus lebih dalam ke wilayah sekitar lubang hitam. Pengamatan baru mengesampingkan gagasan mengaburkan awan, menunjukkan bahwa laju putaran lubang hitam supermasif dapat ditentukan secara meyakinkan.
“Ini sangat penting untuk bidang ilmu lubang hitam,” kata Lou Kaluzienski, ilmuwan program NuSTAR di Markas Besar NASA di Washington, D.C. “Teleskop NASA dan ESA menangani masalah ini bersama-sama. Bersamaan dengan pengamatan sinar-X berenergi rendah yang dilakukan dengan XMM-Newton, kemampuan NuSTAR yang belum pernah terjadi sebelumnya untuk mengukur sinar-X energi yang lebih tinggi memberikan potongan puzzle yang penting dan hilang untuk mengungkap masalah ini. "
NuSTAR dan XMM-Newton secara bersamaan mengamati lubang hitam supermasif dua juta massa matahari yang terletak di jantung galaksi yang dipenuhi debu dan gas yang disebut NGC 1365. Hasilnya menunjukkan bahwa lubang hitam berputar mendekati tingkat maksimal yang diizinkan oleh Teori gravitasi Einstein.
“Monster-monster ini, dengan massa dari jutaan hingga milyaran kali matahari, dibentuk sebagai biji kecil di alam semesta awal dan kemudian tumbuh dengan menelan bintang dan gas di galaksi inangnya, dan / atau bergabung dengan lubang hitam raksasa lainnya ketika galaksi bertabrakan, ”kata Guido Risaliti, penulis utama studi baru dari Pusat Astrofisika Harvard-Smithsonian di Cambridge, Mass. dan Institut Nasional Italia untuk Astrofisika. "Mengukur putaran lubang hitam supermasif sangat penting untuk memahami sejarah masa lalu dan galaksi inangnya."
Melalui Laboratorium Nasional Lawrence Livermore