Et internationalt forskerhold med bidrag fra DTU Space har gjort en sjælden observation, der giver et enestående indblik i, hvad der sker i det ekstreme område lige uden for et sort hul.
Observationerne viser et mønster i lyset fra en ødelagt stjerne, som præcist følger Einsteins forudsigelser om, hvordan rumtiden krummer og trækkes rundt af et roterende sort hul. Det relativistiske fænomen, forskerne har observeret, kaldes Lense–Thirring-effekten, og denne effekt er baseret på Einsteins teori.
“Det her er et meget direkte observationsbaseret bevis på relativitetsteorien tæt på et sort hul,” fortæller seniorforsker Giorgos Leloudas fra DTU Space, som er medforfatter på den videnskabelige artikel om opdagelsen, der netop er publiceret i Science Advances.
En sønderreven stjerne i en fjern galakse
Den begivenhed, forskerne har observeret, fandt sted i den fjerne galakse LEDA 145386, omkring 120 millioner lysår fra Jorden. Her passerede en stjerne så tæt på et supermassivt sort hul, at den blev revet i stykker af dets enorme gravitationskræfter. En sådan hændelse kaldes en Tidal Disruption Event (TDE).
Når en stjerne rives fra hinanden, bliver noget af dens materiale slynget væk, mens resten falder ind mod det sorte hul og danner en glødende ring af gas. Denne ring kaldes en akkretionsskive. Samtidig kan der dannes kraftige stråler af energi og stof, såkaldte jets, der skydes ud fra området tæt ved det sorte hul med hastigheder nær lysets.
Denne type begivenhed er vanskelig at observere i detaljer, fordi den finder sted så langt væk. Men da lyset fra hændelsen i form af elektromagnetisk stråling - både røntgenstråling og radiobølger - nåede Jorden, blev det registreret af flere teleskoper i rummet og på Jorden.
Blandt dem det store radioantenne-netværk VLA i USA samt røntgenteleskopet NICER, der sidder udenpå den internationale rumstation ISS, hvortil DTU Space har leveret udstyret, der sikrer præcis orientering mod universet.
Blinker næsten som et fyrtårn
Tilsammen gjorde instrumenterne det muligt at måle små variationer i lyset fra det ødelagte stjernemateriale. Det viste sig, at lyset varierede periodisk, som om det blinkede på en regelmæssig måde – omtrent som et fyrtårn.
Ifølge Einsteins generelle relativitetsteori krummer rumtiden omkring massive objekter som sorte huller. Hvis det sorte hul roterer, vil det ikke blot krumme rumtiden, men også trække den med sig. Det er dette fænomen, som kaldes Lense-Thirring-effekten.
Konsekvensen er, at både akkretionsskiven og jetstrålerne tæt på det sorte hul langsomt begynder at ændre orientering. Set fra Jorden fremstår dette netop som periodiske variationer i lyset. Det var præcis dette signaturmønster, forskerne fandt. Det er dermed et direkte observerbart bevis på, at rumtiden tæt på dette sorte hul er meget stærkt krummet, sådan som Einsteins teori forudsiger.
“Hvis det sorte hul roterer, vil det 'trække' rumtiden med sig og få både jetstrålen og den donut-formede skive til at ændre orientering, lidt som lyset fra et fyrtårn. Det får os til at se periodiske variationer i det lys, vi modtager,” forklarer Giorgos Leloudas.
Røntgendata og radiodata viser den samme synkrone periodisering. Derfor konkluderer forskerne, at både skiven og strålen ændrer orientering synkront. De co-præcesserer, som det kaledes. Dette er sjældent observeret, og styrker forskernes antagelser.
“Direkte observationsbaseret evidens for co-præcession mellem skive og jet har hidtil været svært at påvise. Her rapporterer vi det hidtil mest overbevisende tilfælde,” siger hovedforfatter til artiklen i Science Advances, Yanan Wang fra National Astronomical Observatories of China.
Et vigtigt bidrag til forståelsen af sorte huller
Relativitetsteorien er afgørende for at beskrive fænomener i stærke tyngdefelter og ved hastigheder tæt på lysets, som det er tilfældet omkring et sort hul. Newtons love virker ikke i sådanne miljøer, hvor tid og rum opfører sig helt anderledes, fordi tyngdekraften påvirker selve rumtiden.
Forskere har tidligere set observationer, der peger i samme retning, men de nye målinger er et solidt bidrag til forståelsen af fænomenet. At forskerne kan måle præcis de variationer i lyset, som teorien forudsiger, giver en stærk bekræftelse af relativitetsteorien. Og øger videnskabens forståelse af sorte huller, som er blandt universets mest gådefulde objekter.
“Observationerne bringer os tættere på at forstå, hvad der faktisk sker omkring sorte huller. Vi bekræfter samtidig, at Einsteins generelle relativitetsteori holder. Det er bemærkelsesværdigt og imponerende, at hans ligninger, som blev fremsat i 1915, stadig står distancen,” konstaterer Giorgos Leloudas.
