Maggio 18, 2022

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Un buco nero in orbita accanto ad esso – “completamente inaspettato”

I ricercatori dell’Università di Turku in Finlandia hanno scoperto che l’asse di rotazione di 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.

X-Ray Binary System MAXI J1820+070

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. 

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Rappresentazione artistica del sistema binario a raggi X MAXI J1820 + 070 che contiene un buco nero (un piccolo punto nero al centro del disco gassoso) e una stella compagna. Un getto stretto è diretto lungo l’asse di rotazione del buco nero, che è fortemente sbilanciato rispetto all’asse di rotazione dell’orbita. L’immagine è stata prodotta con un gioco da ragazzi. Credito: R. Hynes

Seguendo questi getti, i ricercatori sono stati in grado di determinare la direzione dell’asse di rotazione del buco nero in modo molto preciso. Quando la quantità di gas che cade dalla stella compagna nel buco nero in seguito iniziò a diminuire, la temperatura del sistema si raffreddò e gran parte della luce nel sistema proveniva dalla stella compagna. In questo modo, i ricercatori hanno potuto misurare l’inclinazione dell’orbita utilizzando tecniche spettroscopiche, e questo ha coinciso grosso modo con l’inclinazione della balistica.

“Per determinare l’orientamento 3D dell’orbita, è necessario anche conoscere l’angolo di posizione del sistema nel cielo, il che significa come il sistema ruota rispetto alla direzione nord nel cielo. Questo è stato misurato utilizzando tecniche di polarimetria”, afferma Juri Potanin.

I risultati pubblicati su Science aprono interessanti prospettive per gli studi sulla formazione di buchi neri e sull’evoluzione di questi sistemi, dal momento che un tale squilibrio estremo è difficile da ottenere in molti scenari di formazione di buchi neri e di evoluzione binaria.

La differenza di oltre 40 gradi tra l’asse orbitale e la rotazione del buco nero era del tutto inaspettata. Gli scienziati hanno spesso ipotizzato che questa differenza fosse molto piccola quando hanno modellato il comportamento della materia in uno spazio temporale curvo attorno a un buco nero. I modelli esistenti sono già complessi e ora le nuove scoperte ci stanno costringendo ad aggiungere una nuova dimensione ad esso”, afferma Potanin.

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Riferimento: “Squilibrio di rotazione del buco nero orbita-orbita nel binario a raggi X MAXI J1820+070” di Guri Potanin, Alexandra Veledina, Andrei V Berdyugina, Svetlana V Berdyugina, Helen Germak, Peter J. Juncker, Gary JE Kagava, Ilya Kozenkov, Vadim Kravtsov Filippo Perola, Manisha Shrestha, Manuel A. Perez-Torres e Serge S. Tsygankov, 24 febbraio 2022 Disponibile qui. sapere.
DOI: 10.1126 / science.abl4679

Il risultato principale è stato ottenuto utilizzando il polarimetro DIPol-UF costruito internamente e installato nel Northern Optical Telescope, di proprietà congiunta dell’Università di Turku con Università di Aarhus in Danimarca.