Ein Schwarzes Loch kreist daneben – „völlig unerwartet“

Forscher der Universität Turku in Finnland fanden heraus, dass die Rotationsachse von 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. 

Eine künstlerische Darstellung des Röntgen-Binärsystems MAXI J1820 + 070, das ein Schwarzes Loch (einen kleinen schwarzen Punkt in der Mitte der Gasscheibe) und einen Begleitstern enthält. Ein schmaler Strahl wird entlang der Rotationsachse des Schwarzen Lochs gerichtet, die stark von der Rotationsachse der Umlaufbahn geneigt ist. Das Bild wurde im Handumdrehen erstellt. Bildnachweis: R. Hynes

Indem sie diesen Jets folgten, konnten die Forscher die Richtung der Rotationsachse des Schwarzen Lochs sehr genau bestimmen. Als die vom Begleitstern in das Schwarze Loch fallende Gasmenge später abzunehmen begann, kühlte sich die Temperatur des Systems ab, und ein großer Teil des Lichts im System kam vom Begleitstern. Auf diese Weise konnten die Forscher mit spektroskopischen Techniken die Neigung der Umlaufbahn messen, die ungefähr mit der Neigung der Ballistik übereinstimmte.

„Um die 3D-Ausrichtung der Umlaufbahn zu bestimmen, muss man auch den Positionswinkel des Systems am Himmel kennen, d. h. wie sich das System in Bezug auf die Nordrichtung am Himmel dreht. Dies wurde mit Polarimetrietechniken gemessen“, sagt sie Juri Potanin.

Die in Science veröffentlichten Ergebnisse eröffnen interessante Perspektiven für Studien zur Entstehung von Schwarzen Löchern und der Entwicklung solcher Systeme, da es schwierig ist, ein solch extremes Ungleichgewicht in vielen Szenarien der Entstehung von Schwarzen Löchern und der binären Evolution zu erhalten.

Der Unterschied von mehr als 40 Grad zwischen der Umlaufbahnachse und der Rotation des Schwarzen Lochs war völlig unerwartet. Wissenschaftler gingen oft davon aus, dass dieser Unterschied sehr gering sei, wenn sie das Verhalten von Materie in einem gekrümmten Zeitraum um ein Schwarzes Loch modellierten. Bestehende Modelle sind bereits komplex, und jetzt zwingen uns die neuen Erkenntnisse, ihnen eine neue Dimension hinzuzufügen“, sagt Potanin.

Referenz: „Orbit-Orbit Black Hole Rotation Imbalance in X-ray-Binary MAXI J1820+070“ von 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 und Serge S. Zygankow, 24. Februar 2022 Hier verfügbar. wissen.
DOI: 10.1126 / science.abl4679

Die wichtigste Entdeckung wurde mit dem im eigenen Haus gebauten DIPol-UF-Polarimeter gemacht, das am Northern Optical Telescope installiert ist, das sich im gemeinsamen Besitz der Universität Turku befindet Universität Aarhus in Dänemark.