Blossar från det supermassiva binära svarta hålet OJ 287 sätter begränsningar för "No Hair Theorem"

NASA: s infraröd observatorium Spitzer har nyligen observerat blossen från gigantiska binära svart hål system EGT 287, inom det uppskattade tidsintervallet som förutspåtts av modellen utvecklad av astrofysiker. Denna observation har testat olika aspekter av allmän relativitet, "No-hair theorem", och bevisat att EUT 287 verkligen är en källa till infraröd Gravitationsvågor.

Smakämnen EGT 287 galax, belägen i cancerstjärnbilden 3.5 miljarder ljusår från jorden, har två svarta hål – den större med över 18 miljarder gånger massa av solen och kretsar runt detta är en mindre svart hål med cirka 150 miljoner gånger solenergin massa, och de bildar en binär svart hål systemet. Medan den kretsar runt den större, desto mindre svart hål kraschar genom den enorma ansamlingsskivan av gas och damm som omger dess större följeslagare och skapar en ljusblixt som är starkare än en biljon stjärnor.

Ju mindre svart hål kolliderar med ackretionsskivan hos den större två gånger vart tolfte år. Men på grund av sin oregelbundna avlång bana (kallas kvasi-Keplarian i den matematiska terminologin, som visas i figuren nedan), kan blossarna dyka upp vid olika tidpunkter – ibland så lite som ett års mellanrum; andra gånger med så mycket som 10 års mellanrum (1). Flera försök att modellera bana och att förutsäga när flares skulle inträffa var misslyckade förrän 2010, när astrofysiker skapade en modell som kunde förutsäga deras förekomst med ett fel på ungefär en till tre veckor. Modellens noggrannhet demonstrerades genom att förutsäga uppkomsten av en bloss i december 2015 inom tre veckor.

En annan viktig bit av information som gick till skapandet av en framgångsrik teori om binär svart hål systemet EGT 287 är det faktum att supermassiv svarta hål kan vara källor till gravitationsvågor – som har fastställts efter den experimentella observationen av gravitationsvågor 2016, producerad under sammanslagning av två supermassiva svarta hål. EUT 287 har förutspåtts vara källan till infraröd gravitationsvågor (2).

Under 2018 tillhandahöll en grupp astrofysiker en ännu mer detaljerad modell och hävdade att de kunde förutsäga tidpunkten för framtida flare inom några timmar (3). Enligt denna modell skulle nästa flare inträffa den 31 juli 2019 och tiden förutspåddes med ett fel på 4.4 timmar. Den förutspådde också ljusstyrkan hos den stötinducerade flare att äga rum under den händelsen. Händelsen fångades och bekräftades av NASA: s Spitzer Utrymme Teleskop (4), som gick i pension i januari 2020. För att observera den förutspådda händelsen var Spitzer vårt enda hopp eftersom denna flare inte kunde ses av något annat teleskop på marken eller i jordens bana, eftersom solen var i cancerkonstellationen med OJ 287 och jorden på motsatta sidor om den. Denna observation bevisade också att EGT 287 släpper ut gravitationsvågor i den infraröda våglängden, som förutspått. Enligt denna föreslagna teori förväntas den effektinducerade blossen från OJ 287 äga rum 2022.

Observationerna av dessa bloss sätter en begränsning på "Inget hårteorem” (5,6) som säger att medan svarta hål inte har riktiga ytor, det finns en gräns runt dem bortom vilken ingenting – inte ens ljus – kan fly. Denna gräns kallas för händelsehorisonten. Denna sats postulerar också att den materia som bildar ett svart hål eller faller in i det "försvinner" bakom svart hål händelsehorisont och är därför permanent otillgänglig för externa observatörer, vilket tyder på att svarta hål har "inget hår". En omedelbar konsekvens av satsen är att svarta hål kan karakteriseras helt med sina massa, elektrisk laddning och inneboende spinn. Enligt vissa forskare kan denna yttre kant av det svarta hålet, dvs händelsehorisonten, vara ojämn eller oregelbunden, vilket motsäger "No hair-teoremet". Men om man måste bevisa riktigheten av "No hair-teoremet", är den enda rimliga förklaringen att den ojämna massfördelningen av det stora svarta hålet skulle förvränga plats runt den på ett sådant sätt att det skulle leda till en förändring av den mindre vägen svart hål, och i sin tur ändra tidpunkten för svarta hål kollision med ackretionsskivan på just den bana, vilket sålunda orsakar en förändring i tidpunkten för uppkomsten av de observerade blossarna.

Som kan förväntas, svarta hål är svåra att undersöka. Allteftersom vi går framåt kommer därför många fler experimentella observationer angående svart hål interaktioner, med omgivningen såväl som med andra svarta hål, ska studeras innan man kan bekräfta giltigheten av "No hair-teoremet".

***

Referenser:

1. Valtonen V., Zola S., et al,. 2016, "Primärt svarthålssnurr i OJ287 som fastställts av General Relativity centenary flare", Astrophys. J. Lett. 819 (2016) nr 2, L37. DOI: https://doi.org/10.3847/2041-8205/819/2/L37
2. Abbott BP., et al,. 2016. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration), "Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger", Phys. Rev. Lett. 116, 061102 (2016). DOI: 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", Astrofys. J. 866, 11 (2018). DOI: https://doi.org/10.3847/1538-4357/aadd95
4. Laine S., Dey L., et al, 2020. "Spitzer Observations of the Predicted Eddington Flare från Blazar OJ 287". Astrophysical Journal Letters, vol. 894, nr 1 (2020). DOI: https://doi.org/10.3847/2041-8213/ab79a4
5. Gürlebeck, N., 2015. "No-Hair Theorem for Black Holes in Astrophysical Environments", Fysiska granskningsbrev 114, 151102 (2015). DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.114.151102
6. Hawking Stephen W., et al 2016. Mjukt hår på svarta hål. https://arxiv.org/pdf/1601.00921.pdf

***