Lubang Hitam Berputar di Sisinya – “Sama sekali tidak terduga”

Peneliti dari Universitas Turku, Finlandia, menemukan bahwa sumbu rotasi 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. 

Kesan artis dari sistem biner sinar-X MAXI J1820+070 yang berisi lubang hitam (titik hitam kecil di tengah piringan gas) dan bintang pendamping. Sebuah jet sempit diarahkan sepanjang sumbu spin lubang hitam, yang sangat tidak sejajar dari sumbu rotasi orbit. Gambar diproduksi dengan Binsim. Kredit: R. Hynes

Dengan mengikuti pancaran ini, para peneliti dapat menentukan arah sumbu rotasi lubang hitam dengan sangat akurat. Saat jumlah gas yang jatuh dari bintang pendamping ke lubang hitam kemudian mulai berkurang, sistem meredup, dan sebagian besar cahaya dalam sistem berasal dari bintang pendamping. Dengan cara ini, para peneliti dapat mengukur kemiringan orbit menggunakan teknik spektroskopi, dan kebetulan hampir bertepatan dengan kemiringan ejeksi.

“Untuk menentukan orientasi 3D orbit, kita juga perlu mengetahui sudut posisi sistem di langit, artinya bagaimana sistem diputar terhadap arah ke Utara di langit. Ini diukur menggunakan teknik polarimetri,” kata Juri Poutanen.

Hasil yang dipublikasikan di majalah Science membuka prospek menarik terhadap studi pembentukan lubang hitam dan evolusi sistem semacam itu, karena ketidaksejajaran ekstrem seperti itu sulit didapat dalam banyak skenario pembentukan lubang hitam dan evolusi biner.

“Perbedaan lebih dari 40 derajat antara sumbu orbit dan putaran lubang hitam benar-benar tidak terduga. Para ilmuwan sering menganggap perbedaan ini sangat kecil ketika mereka memodelkan perilaku materi dalam ruang waktu melengkung di sekitar lubang hitam. Model saat ini sudah sangat kompleks, dan sekarang temuan baru memaksa kami untuk menambahkan dimensi baru pada mereka, ”kata Poutanen.

Referensi: “Misalignment spin–orbit black hole dalam biner x-ray MAXI J1820+070” oleh Juri Poutanen, Alexandra Veledina, Andrei V. Berdyugin, Svetlana V. Berdyugina, Helen Jermak, Peter G. Jonker, Jari JE Kajava, Ilia A. Kosenkov, Vadim Kravtsov, Vilppu Piirola, Manisha Shrestha, Manuel A. Perez Torres dan Sergey S. Tsygankov, 24 Februari 2022, Sains.
DOI: 10.1126/science.abl4679

Temuan kunci dibuat dengan menggunakan instrumen polarimetri internal DIPol-UF yang dipasang di Teleskop Optik Nordik, yang dimiliki oleh Universitas Turku bersama dengan Universitas Aarhus di Denmark.