Verificare la rotazione di un buco nero supermassiccio: la teoria della relatività generale di Einstein brilla

Galassia M87 Buco nero Mostra un getto oscillante, confermando la sua rotazione, come concluso da uno studio ventennale che si allinea con le previsioni della teoria generale della relatività di Einstein.

La vicina radiogalassia M87, situata a 55 milioni di anni luce dalla Terra e contenente un buco nero 6,5 miliardi di volte più grande del Sole, mostra un flusso oscillante che oscilla su e giù con un’ampiezza di circa 10 gradi, confermando l’esistenza della galassia nera buco. avvolge.

Lo studio, diretto dal ricercatore cinese Dr. Yuzhou Cui, è stato pubblicato nel natura Il 27 settembre è stato condotto da un team internazionale utilizzando una rete globale di radiotelescopi.

Attraverso un’analisi approfondita dei dati del telescopio dal 2000 al 2022, il gruppo di ricerca ha rivelato un ciclo ricorrente di 11 anni nella precessione della base del getto, come previsto dalla teoria della relatività generale di Einstein. Lo studio collega le dinamiche del flusso al buco nero supermassiccio centrale, fornendo la prova che il buco nero in M87 sta ruotando.

Fenomeni di buco nero supermassiccio

I buchi neri supermassicci al centro delle galassie attive – i corpi celesti più instabili del nostro universo – possono accumulare enormi quantità di materia a causa della loro straordinaria forza gravitazionale e della forza gravitazionale. plasma I deflussi, noti come getti, si avvicinano alla velocità della luce e si estendono per migliaia di anni luce.

Il meccanismo del trasferimento di energia tra i buchi neri supermassicci e i loro dischi di accrescimento e i getti relativistici ha lasciato perplessi fisici e astronomi per più di un secolo. La teoria prevalente suggerisce che l’energia potrebbe essere estratta da un buco nero rotante, consentendo a parte del materiale che circonda il buco nero supermassiccio di essere espulso con energia significativa. Tuttavia, la rotazione dei buchi neri supermassicci, un fattore cruciale in questo processo e il parametro più importante oltre alla massa del buco nero, non è stata osservata direttamente.

Pannello superiore: struttura del getto M87 a 43 GHz basata su dati di stacking semestrale osservati dal 2013 al 2018. Le frecce bianche indicano l’angolo di posizione del getto in ciascuna sottotrama. Pannello inferiore: risultati meglio adattati basati sull’immagine impilata annualmente dal 2000 al 2022. I punti verdi e blu sono stati ottenuti da osservazioni rispettivamente a 22 GHz e 43 GHz. La linea rossa rappresenta la soluzione migliore secondo il modello di iniziativa. Credito: Yuzhou Cui et al., 2023

Concentratevi su M87

In questo studio, il gruppo di ricerca si è concentrato su M87, dove nel 1918 fu osservato il primo getto astrofisico osservativo. Grazie alla sua vicinanza, le regioni di formazione del getto vicino al buco nero possono essere risolte in dettaglio utilizzando l’interferometria a base molto lunga (VLBI). È anche rappresentato dall’immagine dell’ombra del buco nero moderno ottenuta utilizzando l’Event Horizon Telescope (EHT). Analizzando i dati VLBI di M87 acquisiti negli ultimi 23 anni, il team ha rilevato getti precursori periodici alla sua base, fornendo informazioni sullo stato del buco nero centrale.

Dinamica e relatività del buco nero

Al centro di questa scoperta c’è la domanda cruciale: quale forza nell’universo potrebbe cambiare la direzione di un getto così potente? La risposta potrebbe essere nascosta nel comportamento del disco di accrescimento, una formazione associata al buco nero supermassiccio centrale.

Mentre il materiale in caduta orbita attorno al buco nero a causa del suo momento angolare, forma una struttura a forma di disco prima di spiraleggiare gradualmente verso l’interno finché non viene fatalmente trascinato nel buco nero. Tuttavia, se un buco nero ruota, esercita un’influenza significativa sullo spaziotempo che lo circonda, provocando l’attrazione degli oggetti vicini lungo il suo asse di rotazione, un fenomeno noto come “frame drag”, previsto dalla teoria della relatività generale di Einstein. .

L’analisi completa del gruppo di ricerca suggerisce che l’asse di rotazione del disco di accrescimento devia dall’asse di rotazione del buco nero, portando a un pre-getto. La rilevazione di questo movimento fornisce una prova inequivocabile che il buco nero supermassiccio in M87 sta effettivamente ruotando, migliorando la nostra comprensione della natura dei buchi neri supermassicci.

“Siamo soddisfatti di questo importante risultato”, ha affermato Yuzhou Cui, ricercatore post-dottorato presso il Laboratorio Zhejiang, un istituto di ricerca di Hangzhou, e autore principale dello studio. “Poiché il disallineamento tra il buco nero e il disco è relativamente piccolo e il periodo di precessione è di circa 11 anni, per ottenere questa svolta è necessaria la raccolta di dati ad alta risoluzione che tracciano la struttura di M87 nell’arco di due decenni e un’analisi completa”.

Il dottor Kazuhiro Hada dell’Osservatorio Astronomico Nazionale del Giappone ha aggiunto: “Dopo aver ripreso con successo il buco nero in questa galassia utilizzando l’EHT, se questo buco nero stia ruotando o meno è diventata una delle maggiori preoccupazioni tra gli scienziati”. “Ora l’aspettativa si è trasformata in certezza. Questo mostruoso buco nero sta già ruotando.”

Contributi futuri e implicazioni

Questo lavoro ha utilizzato un totale di 170 epoche di osservazioni acquisite dalla rete VLBI dell’Asia orientale (EAVN), dal Very Long Baseline Array (VLBA), dal Joint Array di KVN e VERA (KaVA) e dall’Asia orientale globale all’Italia (MANGIARE) rete. In totale, più di 20 telescopi da tutto il mondo hanno contribuito a questo studio.

Anche i radiotelescopi cinesi hanno contribuito a questo progetto, incluso il radiotelescopio cinese Tianma da 65 metri con la sua enorme parabola e l’elevata sensibilità alle lunghezze d’onda millimetriche. Inoltre, un radiotelescopio da 26 metri nello Xinjiang migliora la risoluzione angolare delle osservazioni EAVN. Dati di alta qualità con alta sensibilità e alta risoluzione angolare sono essenziali per ottenere questo risultato.

“Il radiotelescopio Shigatse da 40 metri presso l’Osservatorio Astronomico di Shanghai migliorerà la capacità di imaging millimetrico dell’EAVN. In particolare, l’altopiano tibetano, dove si trova il telescopio, ha una delle migliori condizioni del sito per osservazioni di lunghezze d’onda (sub-millimetriche), ” ha affermato il Prof. Zhiqiang Chen, direttore dell’Osservatorio Astronomico di Shanghai dell’Accademia Cinese delle Scienze, affermando che soddisfa le nostre aspettative per migliorare le strutture nazionali per l’osservazione astronomica.

Se da un lato questo studio fa luce sul misterioso mondo dei buchi neri supermassicci, dall’altro presenta anche enormi sfide. La struttura del disco di accrescimento e l’esatta rotazione del buco nero supermassiccio M87 sono ancora in gran parte incerte. Questo lavoro prevede anche che ci saranno più fonti con questa configurazione, ponendo una sfida da scoprire per gli scienziati.

Riferimento: “L’ugello a getto che si collega a un buco nero rotante in M87” di Yucho Kuei, Kazuhiro Hada, Tomohisa Kawashima, Motoki Kino, Weikang Lin, Yusuke Mizuno, Hyunwook Ru, Markei Honma, Kono Yi, Jintao Yu, Jongho Park, Wu Jiang, Zhiqiang Chen, Evgenia Kravchenko, Juan Carlos Algaba, Xiaoping Cheng, Eli Zhou, Gabriele Giovannini, Marcello Giroletti, Taehyun Jung, Ru Sin Lu, Kotaro Ninuma, Jungwan Oh, Ken Ohsuga, Satoko Sawada Satoh, Bong Won Son, Hiroyuki R .Takahashi, Meeko Takamura, Fumi Tazaki, Sasha Tripp, Kiyoaki Wajima, Kazunori Akiyama, Tao An, Keiichi Asada, Salvatore Botaccio, Do Young-byun, Lang Kui, Yoshiaki Hagiwara, Tomoya Hirota, Jeffrey Hodgson, Noriyuki Kawaguchi, Jae-Young Kim, Sang Song Lee, Ji-Won Lee, Jeong-Ee Lee, Giuseppe Maccaferri, Andrea Melis, Alexey Melnikov, Carlo Migoni, Si-Jin Oh, Koichiro Sugiyama, Xuezheng Wang, Yingkang Zhang, Zhong Chen, Jo-Yun Hwang, Dong-Kyu Jung, Heo-Ryung Kim, Jeong Suk Kim, Hideyuki Kobayashi, Bin Li, Guangwei Li, Xiaofei Li, Xiong Liu, Qinghui Liu, Xiang Liu, Chung Sik Oh, Tomoaki Aoyama, Duke Jiu Ruo, Jinqing Wang, Na Wang, Xiqiang Wang, Bo Xia, Hao Yan, Jae-hwan Yum, Yoshinori Yonekura, Jianping Yuan, Hua Zhang, Rongping Zhao, Yi Zhong, 27 settembre 2023, natura.
doi: 10.1038/s41586-023-06479-6