Observatorul
cu infraroșu, recent retras, a fost singurul telescop care a descoperit
un flash de lumină îndepărtată care conține indicii despre
caracteristicile fizice ale acestor mistere cosmice.
Găurile negre nu sunt staționate în spațiu; de fapt, pot fi destul de activi în mișcările lor. Dar, deoarece sunt complet întunecate și nu pot fi observate direct, nu sunt ușor de studiat. Oamenii
de știință și-au dat seama în sfârșit de momentul precis al unui dans
complicat între două enorme găuri negre, dezvăluind detalii ascunse
despre caracteristicile fizice ale acestor misterioase obiecte cosmice.
Această imagine prezintă două găuri negre masive în galaxia OJ 287. Gaura neagră mai mică orbitează pe cea mai mare, care este de asemenea înconjurată de un disc de gaz. Când gaura neagră mai mică se prăbușește pe disc, produce o flacără mai strălucitoare de 1 trilion de stele. 
Credit: NASA / JPL-Caltech.
Dar orbita găurii negre mai mici este alungită, nu circulară și este neregulată: schimbă poziția cu fiecare buclă în jurul găurii negre mai mari și este înclinată în raport cu discul de gaz. Atunci când gaura neagră mai mică se prăbușește prin disc, creează două bule în expansiune de gaz fierbinte care se îndepărtează de disc în direcții opuse, iar în mai puțin de 48 de ore sistemul pare să fie patruplu în luminozitate.
Din cauza orbitei neregulate, gaura neagră se ciocnește cu discul în momente diferite în timpul fiecărei orbite de 12 ani. Uneori, flăcările apar la doar un an de distanță; alte ori, la 10 ani distanță. Încercările de a modela orbita și de a prezice când vor avea loc flăcările au durat zeci de ani, dar în 2010, oamenii de știință au creat un model care ar putea prezice apariția lor în aproximativ una până la trei săptămâni. Aceștia au demonstrat că modelul lor era corect, prezicând apariția unei flăcări în decembrie 2015, în termen de trei săptămâni.
Apoi, în 2018, un grup de oameni de știință conduși de Lankeswar Dey, student absolvent la Institutul Tata de Cercetări Fundamentale din Mumbai, India, a publicat o lucrare cu un model și mai detaliat pe care au susținut că va fi capabil să prezice calendarul viitoarelor eșecuri. în termen de patru ore. Într-un nou studiu publicat în Astrophysical Journal Letters, acești oameni de știință raportează că predicția lor exactă a unei flăcări apărute la 31 iulie 2019, confirmă că modelul este corect.
Galaxia
OJ 287 găzduiește una dintre cele mai mari găuri negre găsite vreodată,
cu peste 18 miliarde de ori masa Soarelui nostru. Orbitarea acestui behemoth este o altă gaură neagră masivă. De
două ori la fiecare 12 ani, gaura neagră mai mică se prăbușește prin
discul enorm de gaz care înconjoară tovarășul său mai mare, creând un
flash de lumină mai strălucitor decât un trilion de stele.
Observarea acelei flăcări aproape nu s-a întâmplat. Deoarece JO 287 se afla în partea opusă a Soarelui de pe Pământ, în afara tuturor telescoapelor de pe pământ și pe orbita Pământului, gaura neagră nu va reveni în viziunea acestor telescoape decât la începutul lunii septembrie, cu mult timp după ce flacăra ar fi avut stins. Dar sistemul era în viziunea telescopului spațial Spitzer al NASA , pe care agenția l-a retras în ianuarie 2020.
După 16 ani de operațiuni, orbita navei spațiale o plasase 158 milioane de mile (254 milioane de kilometri) de Pământ, sau de peste 600 de ori distanța dintre Pământ și Lună. Din acest punct de vedere, Spitzer a putut observa sistemul începând cu 31 iulie (în aceeași zi se preconiza să apară flacăra) până la începutul lunii septembrie, când JO 287 va deveni observabil la telescoape de pe Pământ.
„Când am verificat prima dată vizibilitatea JO 287, am fost șocat să aflu că a devenit vizibil pentru Spitzer chiar în ziua în care se preconiza că va apărea următoarea flacără”, a spus Seppo Laine, un om de știință asociat la Caltech / IPAC din Pasadena , California, care a supravegheat observațiile lui Spitzer asupra sistemului. „A fost extrem de norocos că am fi capabili să surprindem vârful acestei flăcări cu Spitzer, pentru că niciun alt instrument fabricat de oameni nu a fost capabil să realizeze acest obiectiv în acel moment”.
Ripple în spațiu
Oamenii de știință modelează în mod regulat orbitele obiectelor mici din sistemul nostru solar, precum o cometă care se bucle în jurul Soarelui, ținând cont de factorii care le vor influența cel mai semnificativ mișcarea. Pentru acea cometă, gravitația Soarelui este de obicei forța dominantă, dar și atracția gravitațională a planetelor din apropiere îi poate schimba calea.
Determinarea mișcării a două găuri negre enorme este mult mai complexă. Oamenii de știință trebuie să țină seama de factori care ar putea să nu afecteze în mod vizibil obiectele mai mici; principalii dintre ei sunt ceva numit valuri gravitaționale. Teoria relativității generale a lui Einstein descrie gravitația ca deformarea spațiului de către masa unui obiect. Când un obiect se mișcă prin spațiu, distorsiunile se transformă în unde. Einstein a prezis existența undelor gravitaționale în 1916, dar nu au fost observate direct până în 2015 de către Laser Interferometru Gravitational Wave Observatory (LIGO).
Cu cât este mai mare masa unui obiect, cu atât undele gravitaționale sunt mai mari și mai energice. În sistemul OJ 287, oamenii de știință se așteaptă ca undele gravitaționale să fie atât de mari încât să poată transporta suficientă energie departe de sistem pentru a modifica măsurabil orbita găurii negre mai mici - și, prin urmare, sincronizarea flăcărilor.
În timp ce studiile anterioare ale JO 287 au contabilizat undele gravitaționale, modelul din 2018 este cel mai detaliat încă. Prin încorporarea informațiilor culese din detecțiile de unde gravitaționale ale LIGO, acesta rafinează fereastra în care este de așteptat să apară o flacără la doar 1 1/2 zile.
Pentru a perfecționa în continuare predicția eșecurilor la doar patru ore, oamenii de știință s-au pliat în detalii despre caracteristicile fizice ale găurii negre mai mari. Mai exact, noul model încorporează ceva numit teorema „fără păr” a găurilor negre.
Publicată în anii ’60 de un grup de fizicieni care l-a inclus pe Stephen Hawking, teorema face o predicție despre natura „suprafețelor” găurii negre. În timp ce găurile negre nu au suprafețe adevărate, oamenii de știință știu că există o graniță în jurul lor dincolo de care nimic - nici măcar lumina - nu poate scăpa. Unele idei susțin că marginea exterioară, numită orizont de eveniment, ar putea fi denivelată sau neregulată, dar teorema fără păr consideră că „suprafața” nu are astfel de caracteristici, nici măcar părul (numele teoremei era o glumă).
Cu alte cuvinte, dacă s-ar tăia gaura neagră pe mijloc de-a lungul axei sale de rotație, suprafața ar fi simetrică. (Axa de rotație a Pământului este aproape perfect aliniată cu polii săi nordici și de sud. Dacă ați tăiat planeta în jumătate de-a lungul acestei axe și ați compara cele două jumătăți, ați vedea că planeta noastră este în mare parte simetrică, deși caracteristici precum oceanele și munții creează unele mici variații între jumătăți.)
Găsirea simetriei
În anii '70, profesorul emerit al lui Caltech, Kip Thorne, a descris modul în care acest scenariu - un satelit care orbita o gaură neagră masivă - ar putea dezvălui dacă suprafața găurii negre este netedă sau denivelată. Anticipând corect orbita găurii negre mai mici cu o asemenea precizie, noul model acceptă teorema fără păr, ceea ce înseamnă că înțelegerea noastră de bază a acestor obiecte cosmice incredibil de ciudate este corectă. Sistemul JO 287, cu alte cuvinte, susține ideea că suprafețele găurilor negre sunt simetrice de-a lungul axelor de rotație.
Deci, cum afectează netezimea suprafeței masive a găurii negre în timpul orbitei găurii negre mai mici? Acea orbită este determinată mai ales de masa găurii negre mai mari. Dacă ar crește mai masiv sau ar pierde o parte din greutăți, aceasta ar schimba dimensiunea orbitei găurii negre mai mici. Dar și distribuția de masă contează. O umflătură masivă dintr-o parte a găurii negre mai mari ar distorsiona diferit spațiul din jurul său decât dacă gaura neagră ar fi simetrică. Acest lucru ar schimba apoi calea găurii negre mai mici pe măsură ce-și orbitează tovarășul și ar schimba măsurabil timpul de coliziune a găurii negre cu discul de pe acea orbită.
Este important pentru oamenii de știință gaură neagră că dovedim sau respingem teorema fără păr. Fără aceasta, nu ne putem încrede că găurile negre, așa cum au fost prevăzute de Hawking și alții, există ”, a spus Mauri Valtonen, astrofizician la Universitatea din Turku din Finlanda și coautor pe hârtie.
Datele științifice Spitzer continuă să fie analizate de comunitatea științifică prin intermediul arhivei de date Spitzer situată la Arhiva Științei în infraroșu găzduită la IPAC la Caltech din Pasadena. JPL a gestionat operațiunile de misiune Spitzer pentru Direcția Misiune Știință a NASA din Washington. Operațiunile științifice au fost desfășurate la Centrul științific Spitzer de la IPAC din Caltech. Operațiunile cu nave spațiale s-au bazat la Lockheed Martin Space din Littleton, Colorado. Caltech gestionează JPL pentru NASA.
