Przeprowadzona pod koniec 2015 roku kampania obserwacyjna pozwoliła grupie astronomów zmierzyć bardzo dokładnie spin (okres rotacji) jednej z najbardziej masywnych czarnych dziur we Wszechświecie, ulokowanej w blazarze OJ287.

Więcej o nauce?! Dołącz do profilu strony. www NAUKA.uj.edu.pl na Facebooku 

W obserwacjach wzięło udział prawie 20 teleskopów optycznych oraz Swift - satelita rentgenowski NASA. Celem ich badań był olbrzymia czarna dziura o masie aż 18 miliardów mas Słońca, która znajduje się w centrum kwazara OJ287, oddalonego od nas o 3.5 miliarda lat świetlnych. W ramach tej kilkumiesięcznej akcji, koordynowanej przez prof. Stanisława Zołę z Obserwatorium Astronomicznego UJ,  współpracowało prawie 100 zawodowych astronomów z kilku krajów.  W wyniku obserwacji okazało się, że okres rotacji tej ogromnej czarnej dziury jest bliski 1/3 wartości maksymalnej, przewidywanej przez Ogólną Teorię Względności Alberta Einsteina.

Podwójne rozbłyski

Słowo kwazar odnosi się do bardzo jasnych okolic centrum aktywnych galaktyk, które emitują ogromne ilości promieniowania elektromagnetycznego, co wynika z opadania materii na znajdujące się w ich środku masywne czarne dziury. Znaczna część cząstek jest też wyrzucana w postaci relatywistycznych strug. Jeśli struga jest skierowana w kierunku Ziemi taka klasa kwazarów nazywana jest blazarami.

Kwazar OJ287 znajduje się na sferze niebieskiej w pobliżu ekliptyki (widomej ścieżki wędrówki Słońca po niebie), gdzie astronomowie od dziesięcioleci obserwowali niewielkie obiekty Układu Słonecznego. Analiza tych historycznych danych, które przypadkowo również obejmowały OJ287, pozwoliły na dostrzeżenie zmian jasności tego kwazara w perspektywie ponad 100 lat (począwszy od 1891 roku). W obszarze OJ287 co około 12 lat występują specyficzne pojaśnienia (rozbłyski).  Dodatkowo,  nowsze i dokładniejsze obserwacje ukazały podwójną strukturę tych rozbłysków.

Ta własność krzywej zmian blasku umożliwiła  Mauri Valtonenowi (Uniwersytet w Turku, Finlandia) i współpracownikom opracować model tego obiektu. Pokazuje on, że w centrum OJ287 znajduje się nie jedna, ale układ dwóch czarnych dziur, znacznie różniących się masami. Ta bardziej masywna otoczona jest dyskiem akrecyjnym, złożonym z materii wysysanej przez nią z przestrzeni międzygwiezdnej.  Druga z czarnych dziur, znacznie mniej masywna (około 150 milionów mas Słońca) obiega ją po ciasnej, silnie eliptycznej orbicie co około 12 lat, dwukrotnie uderzając w dysk akrecyjny. Zjawisko to powoduje silne nagrzanie się materii i obserwowane przez naukowców podwójne wybuchy.

Potężna flara w OJ287

Wnioskując z perspektywy Ogólnej Teorii Względności stworzony model daje podstawy do stwierdzenia, iż orbita mniej masywnej czarnej dziury powinna się obracać i charakteryzować się winna dużą precesją. Precesja orbity została zmierzona jeszcze w 2010 roku na podstawie ośmiu najdokładniej zaobserwowanych  pojaśnień i wynosi aż 39 stopni na jeden obieg. Tak opracowany model prowadził do prognoz, o pojawieniu się kolejnych rozbłysków na przełom lat 2015/16.  I rzeczywiście, ich początek został zaobserwowany w drugiej połowie listopada 2015 roku, zbiegając się z setną rocznicą opublikowania teorii Einsteina.

Międzynarodowa kampania obserwacyjna wystartowała od września 2015 roku.  Potężna flara w OJ287 rozjaśniła się 18 listopada 2015 roku, swoje maksimum jasności osiągając 4 grudnia. Kwazar, o którym mowa był wtedy najjaśniejszy od około 30 lat. Wyznaczenie czasu tego rozbłysku pozwoliło na bezpośrednie zmierzenie spinu (okresu obrotu) masywniejszej czarnej dziury na 0.31 maksymalnej prędkości obrotu wynikającej z Ogólnej Teorii Względności.

Obserwacje optyczne prowadzące do tego wyniku zostały wykonane prawie 20 teleskopami na kilku kontynentach:  w Japonii, Korei Południowej, Indiach, Turcji, Grecji, Finlandii, Polsce, Niemczech, Hiszpanii, USA, Chile i Meksyku. W Polsce obserwacje zmian jasności oraz analizy polarymetryczne wykonano w obserwatoriach Uniwersytetu Pedagogicznego na Suhorze oraz w Obserwatorium Astronomicznym Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie. Wykonali je pracownicy i doktoranci obu instytucji. W obserwacjach wzięli też udział amatorzy posiadające własne teleskopy. Obserwacje rentgenowskie z wykorzystaniem satelity Swift wykonał i analizował Stefano Ciprini z Włoch a szczegóły modelu teoretycznego opracowali Mauri Valtonen oraz A. Gopakumar (Tata Institute of Fundamental Research, Indie).