Flares fra Supermassive Binary Black Hole OJ 287 setter begrensning på "No Hair Theorem"

NASAs infrarødt observatorium Spitzer har nylig observert fakkelen fra gigantisk binær svart hull system OJ 287, innenfor det estimerte tidsintervallet forutsagt av modellen utviklet av astrofysikere. Denne observasjonen har testet forskjellige aspekter av generell relativitet, "No-hair theorem", og bevist at OJ 287 faktisk er en kilde til infrarødt Gravitasjonsbølger.

Ocuco EUT 287 galakse, som ligger i Kreft-konstellasjonen 3.5 milliarder lysår unna Jorden, har to svarte hull – den største med over 18 milliarder ganger masse av Solen og kretser rundt dette er en mindre svart hull med omtrent 150 millioner ganger solenergien masse, og de danner en binær svart hull system. Mens du går i bane rundt den større, desto mindre svart hull krasjer gjennom den enorme akkresjonsskiven av gass og støv som omgir dens større følgesvenn, og skaper et lysglimt som er klarere enn en billion stjerner.

Jo mindre svart hull kolliderer med akkresjonsskiven til den større to ganger hvert tolvte år. Men på grunn av sin uregelmessige avlange bane (kalt kvasi-Keplarian i den matematiske terminologien, som vist i figuren nedenfor), kan blussene dukke opp til forskjellige tider – noen ganger så lite som ett års mellomrom; andre ganger, med så mye som 10 års mellomrom (1). Flere forsøk på å modellere bane og å forutsi når bluss ville skje var mislykket før i 2010, da astrofysikere skapte en modell som kunne forutsi deres forekomst med en feil på omtrent én til tre uker. Nøyaktigheten til modellen ble demonstrert ved å forutsi utseendet til en fakkel i desember 2015 innen tre uker.

En annen viktig del av informasjon som gikk inn i å lage en vellykket teori om binær svart hull system OJ 287 er det faktum at supermassive svarte hull kan være kilder til gravitasjonsbølger – som er etablert etter den eksperimentelle observasjonen av gravitasjonsbølger i 2016, produsert under sammenslåingen av to supermassive svarte hull. OJ 287 har blitt spådd å være kilden til infrarødt gravitasjonsbølger (2).

I 2018 ga en gruppe astrofysikere en enda mer detaljert modell, og hevdet å være i stand til å forutsi tidspunktet for fremtidige utbrudd innen få timer (3). I følge denne modellen ville neste fakkel skje 31. juli 2019, og tiden ble spådd med en feil på 4.4 timer. Den forutså også at lysstyrken til den støtinduserte fakkelen skulle finne sted under den hendelsen. Hendelsen ble fanget opp og bekreftet av NASAs Spitzer Rom Teleskop (4), som ble pensjonert i januar 2020. For å observere den forutsagte hendelsen, var Spitzer vårt eneste håp siden dette blusset ikke kunne sees av noe annet teleskop på bakken eller i jordens bane, ettersom solen var i Kreft-konstellasjonen med OJ 287 og Jorden på motsatte sider av den. Denne observasjonen beviste også at OJ 287 slipper ut gravitasjonsbølger i den infrarøde bølgelengden, som forutsagt. I følge denne foreslåtte teorien forventes den påvirkningsinduserte fakkelen fra OJ 287 å finne sted i 2022.

Observasjonene av disse blussene setter en begrensning på "Ingen hårteorem” (5,6) som sier at mens svarte hull ikke har ekte overflater, det er en grense rundt dem som ingenting – ikke engang lys – kan unnslippe. Denne grensen kalles hendelseshorisonten. Denne teoremet postulerer også at stoffet som danner et svart hull eller faller ned i det "forsvinner" bak svart hull hendelseshorisont og er derfor permanent utilgjengelig for eksterne observatører, noe som tyder på det svarte hull har "ikke hår". En umiddelbar konsekvens av teoremet er at svarte hull kan karakteriseres fullstendig med deres masse, elektrisk ladning og indre spinn. I følge noen forskere kan denne ytterkanten av det sorte hullet, dvs. hendelseshorisonten, være humpete eller uregelmessig, og dermed motsi "No hair-teoremet". Imidlertid, hvis man må bevise riktigheten av "No hair-teoremet", er den eneste plausible forklaringen at den ujevne massefordelingen til det store sorte hullet ville forvrenge plass rundt det på en slik måte at det ville føre til en baneendring for de mindre svart hull, og i sin tur endre tidspunktet for svarte hull kollisjon med akkresjonsdisken på den aktuelle bane, og forårsaker dermed en endring i tidspunktet for opptreden av de observerte blussene.

Som forventet, svarte hull er vanskelig å undersøke. Derfor, ettersom vi går fremover, mange flere eksperimentelle observasjoner vedr svart hull interaksjoner, med omgivelsene så vel som med andre sorte hull, skal studeres før man kan bekrefte gyldigheten av "No hair-teoremet".

***

Referanser:

1. Valtonen V., Zola S., et al. 2016, "Primært svart hull-spinn i OJ287 som bestemt av General Relativity hundreårsoppbluss", Astrophys. J. Lett. 819 (2016) nr.2, L37. GJØR JEG: https://doi.org/10.3847/2041-8205/819/2/L37
2. Abbott BP., et al. 2016. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration), "Observasjon av gravitasjonsbølger fra en binær svart hullssammenslåing", Phys. Rev. Lett. 116, 061102 (2016). GJØR JEG: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.061102
3. Dey L., Valtonen MJ., Gopakumar A. et al 2018. "Authenticating the Presence of a Relativistic Massive Black Hole Binary in OJ 287 Using Its General Relativity Centenary Flare: Improved Orbital Parameters", Astrophys. J. 866, 11 (2018). GJØR JEG: https://doi.org/10.3847/1538-4357/aadd95
4. Laine S., Dey L., et al 2020. «Spitzer Observations of the Predicted Eddington Flare fra Blazar OJ 287». Astrophysical Journal Letters, vol. 894, nr. 1 (2020). GJØR JEG: https://doi.org/10.3847/2041-8213/ab79a4
5. Gürlebeck, N., 2015. "No-Hair Theorem for Black Holes in Astrophysical Environments", Physical Review Letters 114, 151102 (2015). GJØR JEG: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.114.151102
6. Hawking Stephen W., et al 2016. Mykt hår på svarte hull. https://arxiv.org/pdf/1601.00921.pdf

***