Een zwart gat dat ernaast draait – ‘compleet onverwacht’

Onderzoekers van de Universiteit van Turku in Finland ontdekten dat de rotatie-as van 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. 

Een artistieke impressie van het röntgendubbelsysteem MAXI J1820 + 070 dat een zwart gat (een klein zwart punt in het midden van de gasvormige schijf) en een begeleidende ster bevat. Een smalle straal wordt gericht langs de rotatie-as van het zwarte gat, die sterk scheef staat ten opzichte van de rotatie-as van de baan. Het beeld werd geproduceerd met een briesje. Krediet: R. Hynes

Door deze jets te volgen, konden de onderzoekers heel precies de richting van de rotatie-as van het zwarte gat bepalen. Toen de hoeveelheid gas die van de begeleidende ster in het zwarte gat viel later begon af te nemen, koelde de temperatuur van het systeem af en kwam een ​​groot deel van het licht in het systeem van de begeleidende ster. Op deze manier konden de onderzoekers de helling van de baan meten met behulp van spectroscopische technieken, en dit viel ongeveer samen met de helling van de ballistiek.

“Om de 3D-oriëntatie van de baan te bepalen, moet je ook de positiehoek van het systeem aan de hemel weten, wat betekent hoe het systeem roteert ten opzichte van de richting naar het noorden aan de hemel. Dit werd gemeten met behulp van polarimetrietechnieken”, zegt Juri Potanin.

De resultaten die in Science zijn gepubliceerd, bieden interessante perspectieven voor studies naar de vorming van zwarte gaten en de evolutie van deze systemen, aangezien een dergelijk extreem onevenwicht moeilijk te verkrijgen is in veel scenario’s voor de vorming van zwarte gaten en binaire evolutie.

Het verschil van meer dan 40 graden tussen de orbitale as en de rotatie van het zwarte gat was volkomen onverwacht. Wetenschappers gingen er vaak van uit dat dit verschil erg klein was toen ze het gedrag van materie in een gekromde tijdruimte rond een zwart gat modelleerden. Bestaande modellen zijn al complex en nu dwingen de nieuwe bevindingen ons om er een nieuwe dimensie aan toe te voegen”, zegt Potanin.

Referentie: “Orbit-orbit black hole rotatie onbalans in X-ray binary MAXI J1820+070” door 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 en Serge S. Tsygankov, 24 februari 2022 Hier beschikbaar. weten.
DOI: 10.1126 / science.abl4679

Het belangrijkste resultaat werd gemaakt met behulp van de in-house gebouwde DIPol-UF polarimeter geïnstalleerd in de Northern Optical Telescope, gezamenlijk eigendom van de Universiteit van Turku met Universiteit van Aarhus in Denemarken.