Memverifikasi rotasi lubang hitam supermasif – teori relativitas umum Einstein bersinar

Galaksi M87 Lubang hitam Gambar ini menunjukkan aliran yang berosilasi, yang mengkonfirmasi rotasinya, seperti yang diambil dari penelitian selama dua dekade yang sejalan dengan prediksi teori relativitas umum Einstein.

Galaksi radio terdekat M87, terletak 55 juta tahun cahaya dari Bumi dan berisi lubang hitam 6,5 miliar kali lebih besar dari Matahari, menunjukkan aliran osilasi yang berosilasi ke atas dan ke bawah dengan amplitudo sekitar 10 derajat, membenarkan keberadaan lubang hitam tersebut. lubang. membungkus.

Penelitian yang dipimpin oleh peneliti Tiongkok Dr. Yuzhou Cui ini diterbitkan di alam Pada tanggal 27 September, hal itu dilakukan oleh tim internasional menggunakan jaringan teleskop radio global.

Melalui analisis ekstensif data teleskop dari tahun 2000 hingga 2022, tim peneliti mengungkapkan siklus berulang selama 11 tahun dalam presesi pangkalan jet, seperti yang diprediksi oleh teori relativitas umum Einstein. Studi tersebut menghubungkan dinamika aliran dengan pusat lubang hitam supermasif, memberikan bukti bahwa lubang hitam di M87 berputar.

Fenomena lubang hitam supermasif

Lubang hitam supermasif di pusat galaksi aktif – benda langit paling tidak stabil di alam semesta kita – dapat mengakumulasi materi dalam jumlah besar karena gaya gravitasi dan gaya gravitasinya yang luar biasa. plasma Aliran keluar tersebut, yang dikenal sebagai jet, mendekati kecepatan cahaya dan meluas hingga ribuan tahun cahaya.

Mekanisme transfer energi antara lubang hitam supermasif dan piringan akresi serta pancaran relativistiknya telah membingungkan fisikawan dan astronom selama lebih dari satu abad. Teori yang berlaku menyatakan bahwa energi dapat diekstraksi dari lubang hitam yang berputar, sehingga beberapa material di sekitar lubang hitam supermasif dapat dikeluarkan dengan energi yang signifikan. Namun, perputaran lubang hitam supermasif, yang merupakan faktor krusial dalam proses ini dan parameter terpenting selain massa lubang hitam, belum teramati secara langsung.

Panel atas: Struktur jet M87 pada 43 GHz berdasarkan data tumpukan setengah tahunan yang diamati dari tahun 2013 hingga 2018. Panah putih menunjukkan sudut posisi jet di setiap subplot. Panel bawah: Hasil pemasangan terbaik berdasarkan tumpukan gambar tahunan dari tahun 2000 hingga 2022. Titik hijau dan biru diperoleh dari pengamatan masing-masing pada 22 GHz dan 43 GHz. Garis merah mewakili model yang paling sesuai dengan model inisiatif. Kredit: Yuzhou Cui dkk., 2023

Fokus pada M87

Dalam studi ini, tim peneliti fokus pada M87, tempat pengamatan pancaran astrofisika pertama kali diamati pada tahun 1918. Berkat kedekatannya, wilayah pembentukan pancaran di dekat lubang hitam dapat diselesaikan secara detail menggunakan interferometri garis dasar yang sangat panjang (VLBI). Hal ini juga diwakili oleh pencitraan bayangan lubang hitam modern menggunakan Event Horizon Telescope (EHT). Dengan menganalisis data VLBI dari M87 yang diperoleh selama 23 tahun terakhir, tim mendeteksi jet prekursor periodik di pangkalannya, sehingga memberikan wawasan tentang keadaan pusat lubang hitam.

Dinamika dan relativitas lubang hitam

Inti dari penemuan ini terletak pada pertanyaan penting: Kekuatan apa di alam semesta yang dapat mengubah arah jet sekuat itu? Jawabannya mungkin tersembunyi dalam perilaku piringan akresi, sebuah formasi yang terkait dengan lubang hitam supermasif di pusat.

Saat material yang jatuh mengorbit lubang hitam karena momentum sudutnya, material tersebut membentuk struktur seperti cakram sebelum secara bertahap berputar ke dalam hingga akhirnya ditarik ke dalam lubang hitam. Namun, jika lubang hitam berputar, hal ini memberikan pengaruh yang signifikan terhadap ruangwaktu di sekitarnya, menyebabkan objek di dekatnya tertarik sepanjang sumbu rotasinya, sebuah fenomena yang dikenal sebagai “frame drag,” yang diprediksi oleh teori relativitas umum Einstein. .

Analisis komprehensif tim peneliti menunjukkan bahwa sumbu rotasi piringan akresi menyimpang dari sumbu rotasi lubang hitam, yang mengarah ke pra-jet. Deteksi gerakan ini memberikan bukti yang jelas bahwa lubang hitam supermasif di M87 memang berputar, sehingga meningkatkan pemahaman kita tentang sifat lubang hitam supermasif.

“Kami senang dengan hasil penting ini,” kata Yuzhou Cui, peneliti pascadoktoral di Laboratorium Zhejiang, sebuah lembaga penelitian di Hangzhou, dan penulis utama studi tersebut. “Karena ketidaksejajaran antara lubang hitam dan piringan relatif kecil dan periode presesinya sekitar 11 tahun, pengumpulan data resolusi tinggi yang melacak struktur M87 selama dua dekade dan analisis komprehensif diperlukan untuk mendapatkan terobosan ini.”

Kazuhiro Hada dari National Astronomical Observatory of Japan menambahkan: “Setelah berhasil mencitrakan lubang hitam di galaksi ini menggunakan EHT, apakah lubang hitam ini berputar atau tidak telah menjadi perhatian utama di kalangan ilmuwan.” “Sekarang antisipasi telah berubah menjadi kepastian. Lubang hitam mengerikan ini sudah berputar.”

Kontribusi dan implikasinya di masa depan

Pekerjaan ini memanfaatkan total 170 periode pengamatan yang diperoleh oleh East Asia VLBI Network (EAVN), Very Long Baseline Array (VLBA), Joint Array of KVN dan VERA (KaVA), dan global East Asia to Italy. (MAKAN) jaringan. Secara total, lebih dari 20 teleskop dari seluruh dunia berkontribusi pada penelitian ini.

Teleskop radio Tiongkok juga berkontribusi pada proyek ini, termasuk teleskop radio Tianma berukuran 65 meter milik Tiongkok dengan antena piringan besar dan sensitivitas tinggi terhadap panjang gelombang milimeter. Selain itu, teleskop radio 26 meter di Xinjiang meningkatkan resolusi sudut pengamatan EAVN. Data berkualitas tinggi dengan sensitivitas tinggi dan resolusi sudut tinggi sangat penting untuk mencapai pencapaian ini.

“Teleskop radio Shigatse 40 meter di Observatorium Astronomi Shanghai akan meningkatkan kemampuan pencitraan milimeter EAVN. Secara khusus, Dataran Tinggi Tibet, tempat teleskop berada, memiliki salah satu kondisi lokasi terbaik untuk pengamatan panjang gelombang (sub-milimeter), Zhiqiang Chen, Direktur Observatorium Astronomi Shanghai dari Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok, mengatakan: “Ini memenuhi harapan kami untuk memperkuat fasilitas domestik untuk observasi astronomi.”

Meskipun penelitian ini menyoroti dunia misterius lubang hitam supermasif, penelitian ini juga menghadirkan tantangan yang sangat besar. Struktur piringan akresi dan putaran pasti lubang hitam supermasif M87 sebagian besar masih belum pasti. Penelitian ini juga memperkirakan bahwa akan ada lebih banyak sumber dengan konfigurasi ini, sehingga menjadi tantangan bagi para ilmuwan untuk menemukannya.

Referensi: “Nosel jet yang terhubung ke lubang hitam berputar di M87” oleh 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-Ae Lee, Giuseppe Maccaferri, Andrea Melis, Alexei Melnikov, Carlo Migoni, Si-Jin Oh, Koichiro Sugiyama, Xuezheng Wang, Yingkang Zhang, Chung 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, dan Yi Zhong, 27 September 2023, alam.
doi: 10.1038/s41586-023-06479-6