Nowa technika "ważenia" czarnych dziur

Pierwszy zespół - Nikolai Shaposhnikov i Lev Titarchuk - wykorzystał nową technikę do określenia masy dobrze już znanej czarnej dziury Cygnus X-1 znajdującej się w gwiazdozbiorze Łabędzia w odległości 10 000 lat świetlnych od Słońca. W skład systemu Cygnus X-1 oprócz czarnej dziury wchodzi również niebieski nadolbrzym.

Nowatorską metodę ustalania mas czarnych dziur zaproponował już w 1998 roku jeden z autorów badań - Lev Titarchuk. Wyznaczona przy zastosowaniu nowej metody masa Cygnus X-1 wynosi 8,7 masy Słońca z marginesem błędu wynoszącym 0,8 masy Słońca.

Poprzednio stosowane metody wskazywały na masę rzędu 10 mas Słońca. Wynik uzyskane przez naukowców z NASA Goddard Space Flight Center pozwalają więc uznać metodę Titarchuka za bardziej wiarygodną od znanych dotychczas. Co więcej, możliwości jej zastosowania są dużo szersze. Sam Titarchuk podkreśla: "Nasza metoda pozwoli na wyznaczenie masy czarnej dziury nawet wtedy, kiedy inne techniki zawiodą".

Nową metodę - niezależnie od Shaposhnikowa i Titarchuka - wykorzystali także inni astronomowie - Tod Strohmayer, Richard Mushodsky wraz z czterema innymi naukowcami. Astronomie wykorzystali ją do analizy danych dostarczonych przez obserwatorium kosmiczne ESA XMM-Newton. Wyniki pracy zespołu być może pozwolą na udowodnienie istnienia kontrowersyjnych obiektów IMBH (ang. Intermediate Mass Black Hole).

IMBH to średniomasywne czarne dziury, które mają wypełniać lukę pomiędzy czarnymi dziurami o masach rzędu od kilku do kilkunastu mas Słońca (takimi jak np. Cygnus X-1), a monstrualnymi supermasywnymi czarnymi dziurami o masach milionów i więcej mas Słońca. Istnienie tych obiektów przez wielu naukowców podawane jest w wątpliwość z powodu wysoce niepewnego mechanizmu ich powstawania.

Pierwszym kandydatem na IMBH jest odkryta w 2004 roku czarna dziura o symbolu GCIRS 13E, znajdująca się w odległości zaledwie trzech lat świetlnych od umiejscowionej w centrum naszej Galaktyki supermasywnej czarnej dziury Sagittarius A*. Masa tego obiektu wynosi ok. 1300 mas Słońca.

Metoda Titarchuka wykorzystuje związek pomiędzy czarną dziurą, a okrążającym ją dyskiem akrecyjnym. Gaz tworzący dysk akrecyjny spływa po spirali do wnętrza czarnej dziury. Wraz ze wzrostem tempa akrecji spadający w kierunku czarnej dziury materiał gromadzi się w jej pobliżu w miejscu, który Titarchuk porównał do ulicznego korka. Naukowcy udowodnili, że odległość tego miejsca od czarnej dziury zależy bezpośrednio od jej masy. Im masywniejsza jest czarna dziura tym dalej owo zagęszczenie się znajduje i tym dłuższy jest jego okres orbitalny.

Model opracowany przez Titarchuka wiąże gorący gaz znajdujący się we wspomnianych zagęszczeniach z obserwacjami zmian natężenia promieniowania rentgenowskiego. Tak zwane kwazi-periodyczne oscylacje (ang. Quasi-Periodic Oscillations - QPOs) to okresowe zmiany w jasności wysyłanego z obiektu światła, które obserwuje się w wielu systemach zawierających czarną dziurę. Z QPO związane są zmiany w widmie systemu występujące wtedy, gdy gaz nagrzewa się i ochładza w zależności od zmiennego tempa akrecji.

Zależności te wykorzystano dla określenia tempa wytwarzania promieni X przez czarną dziurę w obserwacjach prowadzonych przez satelitę NASA Rossi X-ray Timing Explorer. Uzyskane wyniki dobrze zgadzają się z pomiarami wykonanymi z wykorzystaniem innych technik.

Zespół Strohmayera określił masę zawierającego czarną dziurę źródła rentgenowskiego, znajdującego się w pobliskiej nieregularnej galaktyce NGC 5408 na około 2000 mas Słońca. Wartość ta sprawia, ze jest ono jednym z najlepszych kandydatów na IMBH. Naukowcy wykryli dla tego źródła dwie QPO, a ich częstotliwość oraz inne właściwości obiektu wskazują na to, że jednym ze składników systemu jest właśnie IMBH.

Kosmiczne obserwatorium XMM-Newton zostało wysłane na orbitę w 1999 roku przez Europejską Agencję Kosmiczną. XMM-Newton to nazwa honorująca angielskiego fizyka i matematyka Izaaka Newtona, a XMM to skrót od X-ray Multi-Mirror. Satelita jest najlepszym detektorem źródeł promieniowania rentgenowskiego zbudowanym dotychczas.