Z czarnej dziury nie dociera do nas światło, dlatego jej obrotu nie można zobaczyć bezpośrednio. Można go jednak odczytywać z promieniowania materii krążącej wokół niej. Im szybciej czarna dziura wiruje, tym bliżej może sięgać wewnętrzna krawędź dysku materii. W pobliżu czarnej dziury ruch materii i silna grawitacja zmieniają energię promieniowania, pozostawiając charakterystyczny ślad w widmie rentgenowskim.

Jednym z najważniejszych takich śladów jest linia żelaza. Powstaje, gdy promieniowanie gorącej plazmy nad dyskiem pada na jego powierzchnię i zostaje częściowo odbite. Można wyobrazić sobie plazmę jako lampę, a dysk jako nierówne zwierciadło o kształcie odzwierciedlającym rozkład silnego pola grawitacyjnego czarnej dziury. Z kształtu odbicia astronomowie próbują ustalić, jak blisko czarnej dziury sięga dysk, a następnie obliczyć prędkość jej obrotu.

Łabędź X-1 jest jednym z najlepiej poznanych układów zawierających czarną dziurę. Wcześniejsze analizy wskazywały, że wiruje ona niemal z największą dopuszczalną fizycznie prędkością. Taki wynik trudno jednak pogodzić z obserwacjami fal grawitacyjnych, według których czarne dziury w wielu zderzających się układach obracają się stosunkowo wolno. Modele ewolucji gwiazd także przewidują, że czarne dziury często rodzą się z niewielkim obrotem. Rozstrzygnięcie tego sporu ma znaczenie dla zrozumienia ewolucji masywnych gwiazd i układów podwójnych.

Zespół z udziałem prof. Andrzeja Zdziarskiego z Centrum Astronomicznego im. Mikołaja Kopernika PAN oraz Michała Szaneckiego z Uniwersytetu Łódzkiego ponownie przeanalizował obserwacje Łabędzia X-1 wykonane przez misję rentgenowską XRISM. Dołączył też równoczesne pomiary teleskopów NICER i NuSTAR, obejmujące szerszy zakres energii.

Najprostszy użyty model potwierdził wcześniejszy wynik: parametr obrotu wyniósł około 0,99 w skali, w której zero oznacza brak obrotu, a jeden – największy moment pędu, jaki zgodnie z ogólną teorią względności może mieć czarna dziura o danej masie. Gdy jednak badacze zastosowali dokładniejszy opis gorącej plazmy, wynik zmienił się na zakres od zera do 0,17. Inny zaawansowany model również wskazał niewielki obrót. Po wspólnej analizie danych z trzech teleskopów okazało się natomiast, że możliwa jest właściwie każda wartość parametru.

Rozbieżność wynika z tego, że przed obliczeniem obrotu trzeba opisać promieniowanie oświetlające dysk. Prostszy model przyjmuje dla niego gotowy matematyczny kształt. Dokładniejsze modele uwzględniają, jak fotony wielokrotnie zderzają się z gorącymi elektronami i zyskują energię. Zmiana opisu tej „lampy” zmienia też przewidywany kształt odbicia. Część cech przypisywanych wcześniej szybkiemu obrotowi może więc wynikać z budowy plazmy albo z geometrii dysku.

Badanie pozwoliło też stwierdzić, że wewnętrzna krawędź dysku znajduje się najwyżej około dziesięciu promieni grawitacyjnych od środka układu. W przypadku Łabędzia X-1 odpowiada to mniej więcej 200–300 km. Taki wynik pasuje do dysku dochodzącego blisko czarnej dziury o małym obrocie. Jeżeli czarna dziura wiruje bardzo szybko, dysk musiałby kończyć się wcześniej, niż dotąd zakładano. Dane lepiej określają więc położenie krawędzi dysku niż sam obrót czarnej dziury.

Nad dyskiem mogą też znajdować się co najmniej dwa obszary gorącej plazmy, a część tej plazmy odpływa od dysku. Taka budowa pomaga wyjaśnić zarówno słabe odbicie promieniowania, jak i obserwowaną wcześniej polaryzację promieni rentgenowskich. Jest to jednak proponowany obraz źródła, a nie jego ostatecznie potwierdzony model.

Praca pokazuje ograniczenie typowe dla astronomii: coraz dokładniejsze dane nie zawsze dają równie dokładną odpowiedź. Czasem wynik okazuje się silniej zależeć od założeń użytych do ich interpretacji. Wyniki opublikowano w „The Astrophysical Journal Letters” (https://doi.org/10.3847/2041-8213/ae82fa). (PAP)

kmp/ bar/