Výskumníci z University of Turku vo Fínsku zistili, že os rotácie a[{“ attribute=““>black hole in a binary system is tilted more than 40 degrees relative to the axis of stellar orbit. The finding challenges current theoretical models of black hole formation.

The observation by the researchers from Tuorla Observatory in Finland is the first reliable measurement that shows a large difference between the axis of rotation of a black hole and the axis of a binary system orbit. The difference between the axes measured by the researchers in a binary star system called MAXI J1820+070 was more than 40 degrees.

Artist impression of the X-ray binary system MAXI J1820+070 containing a black hole (small black dot at the center of the gaseous disk) and a companion star. A narrow jet is directed along the black hole spin axis, which is strongly misaligned from the rotation axis of the orbit. Image produced with Binsim. Credit: R. Hynes

Often for the space systems with smaller objects orbiting around the central massive body, the own rotation axis of this body is to a high degree aligned with the rotation axis of its satellites. This is true also for our solar system: the planets orbit around the Sun in a plane, which roughly coincides with the equatorial plane of the Sun. The inclination of the Sun rotation axis with respect to orbital axis of the Earth is only seven degrees.

“The expectation of alignment, to a large degree, does not hold for the bizarre objects such as black hole X-ray binaries. The black holes in these systems were formed as a result of a cosmic cataclysm – the collapse of a massive star. Now we see the black hole dragging matter from the nearby, lighter companion star orbiting around it. We see bright optical and X-ray radiation as the last sigh of the infalling material, and also radio emission from the relativistic jets expelled from the system,” says Juri Poutanen, Professor of Astronomy at the University of Turku and the lead author of the publication. 

Umelecký dojem z röntgenového binárneho systému MAXI J1820 + 070, ktorý obsahuje čiernu dieru (malý čierny bod v strede plynného disku) a sprievodnú hviezdu. Pozdĺž osi rotácie čiernej diery je nasmerovaný úzky prúd, ktorý je silne vychýlený od osi rotácie obežnej dráhy. Obraz bol vyrobený s vánkom. Poďakovanie: R. Hynes

Sledovaním týchto výtryskov boli vedci schopní veľmi presne určiť smer osi rotácie čiernej diery. Keď sa množstvo plynu padajúceho zo sprievodnej hviezdy do čiernej diery neskôr začalo znižovať, teplota systému sa ochladila a veľká časť svetla v systéme pochádzala zo sprievodnej hviezdy. Týmto spôsobom vedci dokázali zmerať sklon obežnej dráhy pomocou spektroskopických techník, a to sa zhruba zhodovalo so sklonom balistiky.

„Na určenie 3D orientácie obežnej dráhy je tiež potrebné poznať uhol polohy systému na oblohe, čo znamená, ako sa systém otáča vzhľadom na smer na sever na oblohe. Toto bolo merané pomocou techník polarimetrie,“ hovorí. Juri Potanin.

Výsledky publikované v Science otvárajú zaujímavé vyhliadky smerom k štúdiám tvorby čiernych dier a evolúcie takýchto systémov, pretože je ťažké dosiahnuť takú extrémnu nerovnováhu v mnohých scenároch tvorby čiernych dier a binárnej evolúcie.

Rozdiel viac ako 40 stupňov medzi osou obežnej dráhy a rotáciou čiernej diery bol úplne neočakávaný. Vedci často predpokladali, že tento rozdiel je veľmi malý, keď modelovali správanie hmoty v zakrivenom časovom priestore okolo čiernej diery. Existujúce modely sú už zložité a nové zistenia nás teraz nútia pridať im nový rozmer,“ hovorí Potanin.

Odkaz: “Nerovnováha rotácie čiernej diery na orbite v röntgenovej binárnej sústave MAXI J1820+070” od Guri Potanin, Alexandra Veledina, Andrei V Berdyugina, Svetlana V Berdyugina, Helen Germak, Peter J. Juncker, Gary JE Kagava, Ilya Kozenkov, Vadim Kravtsov Filippo Perola, Manisha Shrestha, Manuel A. Perez-Torres a Serge S. Tsygankov, 24. február 2022 Dostupné tu. vedieť.
DOI: 10.1126 / science.abl4679

Hlavný objav sa uskutočnil pomocou vlastného polarimetra DIpol-UF inštalovaného na Northern Optical Telescope, ktorý spoločne vlastní Univerzita v Turku s Aarhuská univerzita v Dánsku.