Investigadores de la Universidad de Turku, Finlandia, encontraron que el eje de rotación de un[{» 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. 

Impresión artística del sistema binario de rayos X MAXI J1820+070 que contiene un agujero negro (pequeño punto negro en el centro del disco gaseoso) y una estrella compañera. Un chorro estrecho se dirige a lo largo del eje de rotación del agujero negro, que está muy desalineado del eje de rotación de la órbita. Imagen producida con Binsim. Crédito: R. Hynes

Al rastrear estos chorros, los investigadores pudieron determinar la dirección del eje de giro del agujero negro con mucha precisión. A medida que la cantidad de gas que caía de la estrella compañera al agujero negro comenzó a disminuir, el sistema se oscureció y gran parte de la luz del sistema provenía de la estrella compañera. De esta forma, los investigadores pudieron medir la inclinación de la órbita mediante técnicas espectroscópicas, y casi coincidió con la inclinación de las eyecciones.

“Para determinar la orientación 3D de la órbita, también es necesario conocer el ángulo de posición del sistema en el cielo, es decir, cómo gira el sistema con respecto a la dirección norte en el cielo. Esto se midió usando técnicas polarimétricas”, dice Juri Poutanen.

Los resultados publicados en la revista Science abren perspectivas interesantes para los estudios de formación de agujeros negros y la evolución de tales sistemas, ya que tal desalineación extrema es difícil de obtener en muchos escenarios de formación de agujeros negros y evolución binaria.

“La diferencia de más de 40 grados entre el eje orbital y la rotación del agujero negro fue completamente inesperada. Los científicos a menudo asumen que esta diferencia es muy pequeña cuando modelan el comportamiento de la materia en un espacio de tiempo curvo alrededor de un agujero negro. Los modelos actuales ya son muy complejos y ahora los nuevos descubrimientos nos obligan a añadirles una nueva dimensión”, dice Poutanen.

Referencia: «Desalineamiento de la órbita de rotación del agujero negro en el binario de rayos X MAXI J1820 + 070» por 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 y Sergey S. Tsygankov, 24 de febrero de 2022, Ciencia.
DOI: 10.1126/ciencia.abl4679

El descubrimiento clave se realizó utilizando el instrumento polarimétrico interno DIPol-UF montado en el Telescopio Óptico Nórdico, que es propiedad de la Universidad de Turku junto con el Universidad de Aarhus en Dinamarca.