Einstein are dreptate din nou! Oamenii de știință au descoperit locul unde „materia cade în găurile negre”

„Gândiți-vă la asta ca la un râu care se transformă într-o cascadă – până acum, ne-am uitat la râu. Aceasta este prima dată când vedem cascada.”, arată cercetătorii, referindu-se la faptul că materia cade în găurile negre, aspect prevăzut de Albert Einstein în urmăcu peste 100 de ani.

Oamenii de știință au confirmat, pentru prima dată, că însăși structura spațiu-timpului face un „plonjon final” la marginea unei găuri negre.

Observarea acestei regiuni de plonjare în jurul găurilor negre a fost realizată de astrofizicieni de la Universitatea de Fizică din Oxford și ajută la validarea unei predicții cheie a teoriei gravitației din anul 1915 a lui Albert Einstein: relativitatea generală.

Echipa de la Universitatea Oxford a făcut această descoperire în timp ce se concentra asupra regiunilor din jurul găurilor negre de masă stelară din binariile cu stele partenere situate relativ aproape de Pământ. Cercetătorii au utilizat date cu raze X colectate de la o serie de telescoape spațiale, inclusiv Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR) al NASA și Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER), montat pe Stația Spațială Internațională.^[sursa]

Aceste date le-au permis să determine soarta gazului și a plasmei fierbinți ionizate, desprinse de la o stea parteneră, care se scufundă definitiv la marginea găurii negre asociate. Descoperirile au demonstrat că aceste așa-numite regiuni de plonjare din jurul unei găuri negre sunt locurile unde se află unele dintre cele mai puternice puncte de influență gravitațională observate vreodată în galaxia noastră Calea Lactee.

„Aceasta este prima privire asupra modului în care plasma, desprinsă de la marginea exterioară a unei stele, suferă căderea finală în centrul unei găuri negre, un proces care are loc într-un sistem aflat la aproximativ 10.000 de ani lumină distanță. Teoria lui Einstein a prezis că această cădere finală ar exista, dar aceasta este prima dată când am reușit să demonstrăm că se întâmplă. Gândiți-vă la ea ca la un râu care se transformă într-o cascadă – până acum, ne-am uitat la râu. Aceasta este prima dată când vedem cascada.”, a declarat într-un comunicat Andrew Mummery, liderul echipei și cercetător în domeniul fizicii la Universitatea Oxford.

De ce materia cade în găurile negre

Teoria relativității generale a lui Einstein sugerează că obiectele cu masă determină deformarea structurii spațiului și timpului, unite într-o singură entitate cvadridimensională numită „spațiu-timp”. Gravitația apare din curbura rezultată.

Deși relativitatea generală funcționează în 4D, ea poate fi ilustrată în mod vag printr-o analogie 2D aproximativă. Imaginați-vă că plasați sfere cu mase din ce în ce mai mari pe o foaie de cauciuc întinsă. O minge de golf ar provoca o mică adâncitură, aproape imperceptibilă; o minge de cricket ar duce la o adâncitură mai mare, iar o minge de bowling la o adâncitură masivă. Acest lucru este analog cu sateliții, planetele și stelele care „crestează” spațiu-timpul 4D. Pe măsură ce masa unui obiect crește, crește și curbura pe care o provoacă și, astfel, crește și influența lor gravitațională. O gaură neagră ar fi ca o ghiulea pe această foaie de cauciuc analogă.

Cu mase echivalente cu zeci sau chiar sute de sori comprimate într-o lățime de aproximativ cea a Pământului, curbura spațiu-timpului și influența gravitațională a găurilor negre cu masă stelară pot deveni destul de extreme. Găurile negre supermasive, pe de altă parte, sunt o cu totul altă poveste.Ele sunt extrem de masive, cu mase echivalente cu milioane sau chiar miliarde de sori, eclipsând chiar și pe cele de masă stelară.

Revenind la relativitatea generală, Einstein a sugerat că această curbură a spațiu-timpului duce la alte fizici interesante. De exemplu, a spus el, trebuie să existe un punct chiar în afara limitei găurii negre în care particulele ar fi incapabile să urmeze o orbită circulară sau stabilă. În schimb, materia care intră în această regiune ar plonja spre gaura neagră cu viteze apropiate de cea a luminii.

Înțelegerea fizicii materiei în această regiune ipotetică de plonjare a unei găuri negre a fost un obiectiv al astrofizicienilor de ceva timp. Pentru a aborda acest aspect, echipa de la Universitatea Oxford a analizat ce se întâmplă atunci când găurile negre există într-un sistem binar cu o stea „obișnuită”.

Dacă cele două sunt suficient de apropiate sau dacă această stea este ușor umflată, influența gravitațională a găurii negre poate îndepărta materialul stelar. Deoarece această plasmă vine cu un moment unghiular, nu poate cădea direct în gaura neagră – așa că, în schimb, formează un nor plat și rotitor în jurul găurii negre, numit disc de acreție.

Din acest disc de acreție, materia alimentează treptat gaura neagră. Conform modelelor de alimentare a găurilor negre, ar trebui să existe un punct numit orbita circulară stabilă cea mai internă (ISCO) – ultimul punct în care materia poate rămâne în rotație stabilă într-un disc de acreție. Orice materie aflată dincolo de acest punct se află în „regiunea de plutire” și începe să coboare inevitabil spre gura găurii negre.

Dezbaterea cu privire la posibilitatea ca această regiune de plonjare să poată fi detectată vreodată a fost rezolvată atunci când echipa de la Universitatea Oxford a descoperit emisii chiar dincolo de ISCO a discurilor de acreție din jurul unei găuri negre binare din Calea Lactee, numită MAXI J1820+070.

Situată la aproximativ 10.000 de ani-lumină de Pământ, cu o masă de aproximativ opt sori, componenta găurii negre din MAXI J1820+070 extrage material de la companionul său stelar în timp ce emite jeturi gemene cu o viteză de aproximativ 80% din viteza luminii; de asemenea, produce emisii puternice de raze X.

Echipa a descoperit că spectrul de raze X al MAXI J1820+070 într-o explozie de tip „soft-state”, care reprezintă emisia unui disc de acreție care înconjoară o gaură neagră rotativă sau „Kerr” – un disc de acreție complet, inclusiv regiunea de plonjare.

Cercetătorii spun că acest scenariu reprezintă prima detectare robustă a emisiei provenite dintr-o regiune de plonjare la marginea interioară a unui disc de acreție al unei găuri negre; ei numesc astfel de semnale „emisii intra-ISCO”. Aceste emisii intra-ISCO confirmă acuratețea relativității generale în descrierea regiunilor aflate imediat în jurul găurilor negre.

Pentru a urmări aceste cercetări, o echipă separată din cadrul Departamentului de Fizică de la Oxford colaborează cu o inițiativă europeană de construire a Telescopului Milimetric Africa. Acest telescop ar trebui să îmbunătățească capacitatea oamenilor de știință de a capta imagini directe ale găurilor negre și să permită sondarea regiunilor plonjante ale unor găuri negre mai îndepărtate.

„Ceea ce este cu adevărat interesant este faptul că există multe găuri negre în galaxie, iar noi dispunem acum de o nouă tehnică puternică pentru a le folosi pentru a studia cele mai puternice câmpuri gravitaționale cunoscute.”, a conchis Andrew Mummery.