The black hole orbits near it – ‘totally unexpected’

Researchers at the University of Turku in Finland have found that rotation axis 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. 

https://www.youtube.com/watch؟v=WfapWdqWYIo
انطباع فني عن النظام الثنائي للأشعة السينية MAXI J1820 + 070 الذي يحتوي على ثقب أسود (نقطة سوداء صغيرة في مركز القرص الغازي) ونجم مصاحب. يتم توجيه نفاثة ضيقة على طول محور دوران الثقب الأسود ، والذي يكون منحرفًا بشدة عن محور دوران المدار. أنتجت الصورة مع بنسيم. الائتمان: R. Hynes

باتباع هذه النفاثات ، تمكن الباحثون من تحديد اتجاه محور دوران الثقب الأسود بدقة شديدة. عندما بدأت كمية الغاز المتساقطة من النجم المرافق إلى الثقب الأسود في الانخفاض لاحقًا ، خفتت درجة حرارة النظام ، وجاء جزء كبير من الضوء في النظام من النجم المرافق. وبهذه الطريقة ، تمكن الباحثون من قياس ميل المدار باستخدام تقنيات التحليل الطيفي ، وتزامن ذلك تقريبًا مع ميل المقذوفات.

“لتحديد الاتجاه ثلاثي الأبعاد للمدار ، يحتاج المرء أيضًا إلى معرفة زاوية موضع النظام في السماء ، مما يعني كيفية دوران النظام فيما يتعلق بالاتجاه نحو الشمال في السماء. تم قياس ذلك باستخدام تقنيات قياس الاستقطاب “، كما يقول جوري بوتانين.

تفتح النتائج المنشورة في مجلة Science آفاقًا مثيرة للاهتمام نحو دراسات تكوين الثقوب السوداء وتطور مثل هذه الأنظمة ، حيث يصعب الحصول على مثل هذا الاختلال الشديد في العديد من سيناريوهات تكوين الثقوب السوداء والتطور الثنائي.

كان الاختلاف الذي يزيد عن 40 درجة بين المحور المداري ودوران الثقب الأسود غير متوقع تمامًا. افترض العلماء غالبًا أن هذا الاختلاف صغير جدًا عندما قاموا بنمذجة سلوك المادة في فضاء زمني منحني حول ثقب أسود. النماذج الحالية معقدة بالفعل ، والآن تجبرنا النتائج الجديدة على إضافة بُعد جديد لها ، “يقول بوتانين.

المرجع: “اختلال دوران الثقب الأسود في المدار في ثنائي الأشعة السينية MAXI J1820 + 070” بقلم جوري بوتانين ، ألكسندرا فيليدينا ، أندريه في بيرديوجين ، سفيتلانا في بيرديوجينا ، هيلين جيرماك ، بيتر جي يونكر ، جاري جي إي كاجافا ، إليا كوزينكوف ، فاديم كرافتسوف ، فيلبو بيرولا ، مانيشا شريسثا ، مانويل أ.بيريز توريس ، وسيرجي س. تسيغانكوف ، 24 فبراير 2022 ، علم.
DOI: 10.1126 / science.abl4679

تم التوصل إلى الاكتشاف الرئيسي باستخدام أداة قياس الاستقطاب DIPol-UF التي تم إنشاؤها داخليًا والمثبتة في التلسكوب البصري الشمالي ، المملوك من قبل جامعة توركو بالاشتراك مع جامعة آرهوس في الدنمارك.