ブラックホールは、宇宙と物理法則の理解を曲げます。ブラックホールが回転すると、周囲の空間を引きずり、天文学者はアインシュタインの相対性理論に関する予測を研究する機会を得ます。
ブラックホールの存在は、アインシュタインの一般相対性理論のおそらく最も魅力的な予測です。星などの任意の質量が特定の制限よりもコンパクトになると、それ自体の重力が非常に強くなり、オブジェクトが特異点であるブラックホールに崩壊します。人々の心の中で、この巨大な重力は奇妙なことが起こる場所です。そして現在、Center for Astrophysicsが率いるチームは、星の質量のブラックホールの回転を非常に速く測定しており、毎秒950回以上回転しており、回転の予測速度制限を押し上げています。
「私は、この重力の体制は直接的な経験からは遠く、亜原子の世界自体を知っているとは言えないと思います」とCfAの天文学者ジェフリーマクリントックは言います。
McClintockとCfA天体物理学者Ramesh Narayanが共同で開発したスピンを測定する手法を適用して、チームはNASAのロッシX線タイミングエクスプローラー衛星データを使用して、ブラックホールスピンの最も直接的な決定を提供しました。
マクリントックとナラヤンは、ハーバード大学物理学部のレベッカシャフィーで構成される国際的なグループを率いていました。ロナルドリミラード、カブリ天体物理学宇宙研究センター、MIT;この研究では、カリフォルニア大学サンタバーバラ校のシェーンデイビス氏とドイツのマックスプランク宇宙物理学研究所のLi-Xin Li氏が担当しました。結果は、Astrophysical Journalの今日の号に掲載されています。
「これで3つのブラックホールのスピンレートの正確な値が得られました」とMcClintockは言います。 「最もエキサイティングなのは、マイクロクエーサーGRS1915 + 105の結果です。これには、理論上の最大値の82％から100％の間のスピンがあります。」
「この結果は、ブラックホールがジェットを放出する方法の説明、ガンマ線バーストの考えられる発生源のモデル化、および重力波の検出に大きな影響を及ぼします」と理論家のナラヤンは言います。
なぜ天文学者はスピンを気にするのですか？
「天文学では、ブラックホールは、その質量とそれがどれだけ速く回転しているかを指定する2つの数値だけで完全に説明されます」とMcClintockは言います。 「私たちは、電子やクォークのような基本的な粒子を除いて、これほど単純なものは何も知りません。」
天文学者はブラックホールの質量を測定することに成功していますが、ブラックホールの2番目の基本パラメータであるそのスピンを測定することははるかに困難であることがわかりました。
「確かに、今年まで、ブラックホールのスピンの信頼できる見積もりはありませんでした」とNarayanは言います。
ブラックホールの重力は非常に強いため、ブラックホールが回転すると、周囲の空間を引きずります。この回転する穴の端は、イベントホライズンと呼ばれます。イベントの地平線を横切るマテリアルはすべてブラックホールに引き込まれます。
「私たちが測定したブラックホールのスピン頻度は、時空がブラックホールの事象の地平線で回転している、またはドラッグされている速度です」とナラヤンは言います。
高速ブラックホール、GRS 1915は、質量が現在知られている20のX線バイナリブラックホールの中で最も質量が大きく、重量は太陽の約14倍です。ほぼ光速で物質の噴流を噴出したり、X線の放出が急激に変化したりするなど、独自の特性でよく知られています。
過去数十年にわたって、X線バイナリシステムで数十のブラックホールが発見されました。 X線バイナリは、2つのオブジェクトが互いの周りを周回するシステムで、一方のガス（太陽のような通常の星）が他方のガス（この場合はブラックホール）に着実に移動します。ガスは、降着と呼ばれるプロセスによってブラックホールにらせん状に流れます。らせん状に回転すると、数百万度に加熱され、X線を放射します。チームはブラックホールの降着円盤のX線スペクトルを使用して、そのスピンを決定しました。
この手法は、相対性理論の主要な予測に基づいています。ブラックホールに降り注ぐガスは、ブラックホールの外側、つまりイベントホライズンの外側にある特定の半径までしか放射されません。この半径の内側では、ガスがあまりに速く穴に落ちて、多くの放射線を生成できません。臨界半径はブラックホールのスピンに依存するため、この半径を測定すると、スピンの直接的な推定値が得られます。半径が小さいほど、ディスクから放出されるX線は熱くなります。 X線の温度は、X線の明るさと相まって、半径を与え、次にブラックホールのスピンレートを与えます。
「この基本的なものを測定できることは本当に素晴らしいことです」とハーバード大学の物理学部の大学院生であるレベッカシャフィーは言います。 「私たちの方法は、概念が非常にシンプルで、理解しやすいものです。宇宙にロッシのX線タイミングエクスプローラーや地球上の望遠鏡などの強力なX線観測所を設置して、必要な測定を実行できて本当に幸運です。」
一瞬、宇宙で最も明るい閃光であるガンマ線バーストの原因の調査は、チームの結果によって助けられるかもしれません。カリフォルニア大学サンタクルーズ校の理論天体物理学者スタンウースリーは、巨大な星の崩壊に基づいてガンマ線バーストをモデル化しました。しかし、これらのモデルは、これまで確認されたことのない、非常に高いスピンを持つブラックホールの存在に依存しています。
「これは非常に重要です」とWoosleyは言います。 「そのような測定ができるとは思いもしませんでした。」
この論文は、GRS 1915と、チームが研究した他の2つのブラックホールは、高回転で生まれたと結論付けています。つまり、元の巨大な星の崩壊するコアがその角運動量をブラックホールに流し込みました。
「コミュニティーが何年も前にブラックホールの質量を測定する方法を見つけて以来、スピンの測定はこの分野の聖杯でした」とMcClintockは言います。 「GRS 1915で使用した手法は、他の多くのブラックホールX線バイナリに適用できます。見つけたものを見るのが待ちきれません！」」
「私たちが気に入っている希望の1つは、私たちが研究しているブラックホールシステムが、スピンを測定する好きな方法を使用して他のグループによっても研究されることです」とナラヤンは言います。 「これらの他の方法がさらに開発され、より信頼性が高くなると、さまざまな方法からの結果の相互比較が最も興味深いでしょう。」
元のソース：CfAニュースリリース
