Comme des tourbillons dans l'océan, des trous noirs en rotation dans l'espace créent un torrent tourbillonnant autour d'eux. Cependant, les trous noirs ne créent pas de tourbillons de vent ou d'eau. Plutôt, ils génèrent des disques de gaz et de poussière chauffés à des centaines de millions de degrés qui brillent à la lumière des rayons X.

En utilisant les données de l'observatoire à rayons X Chandra de la NASA et des alignements aléatoires sur des milliards d'années-lumière, les astronomes ont déployé une nouvelle technique pour mesurer le spin de cinq trous noirs supermassifs. La matière dans l'un de ces vortex cosmiques tourbillonne autour de son trou noir à plus de 70 % environ de la vitesse de la lumière.

Les astronomes ont profité d'un phénomène naturel appelé lentille gravitationnelle. Avec juste le bon alignement, la courbure de l'espace-temps par un objet massif, comme une grande galaxie, peut agrandir et produire plusieurs images d'un objet distant, comme prédit par Einstein.

Dans cette dernière recherche, les astronomes ont utilisé Chandra et la lentille gravitationnelle pour étudier six quasars, chacun étant constitué d'un trou noir supermassif consommant rapidement la matière d'un disque d'accrétion environnant. La lentille gravitationnelle de la lumière de chacun de ces quasars par une galaxie intermédiaire a créé plusieurs images de chaque quasar, comme le montrent ces images Chandra de quatre des cibles. La capacité d'imagerie pointue de Chandra est nécessaire pour séparer le multiple, images lentilles de chaque quasar.

La principale avancée réalisée par les chercheurs dans cette étude était qu'ils ont profité de « la microlentille, " où les étoiles individuelles dans l'intervenant, galaxie lentille a fourni un grossissement supplémentaire de la lumière du quasar. Un grossissement plus élevé signifie qu'une région plus petite produit l'émission de rayons X.

Les chercheurs ont ensuite utilisé la propriété selon laquelle un trou noir en rotation entraîne l'espace avec lui et permet à la matière d'orbiter plus près du trou noir que ce qui est possible pour un trou noir non tournant. Par conséquent, une région émettrice plus petite correspondant à une orbite serrée implique généralement un trou noir tournant plus rapidement. Les auteurs ont conclu de leur analyse par microlentille que les rayons X proviennent d'une région si petite que les trous noirs doivent tourner rapidement.

Les résultats ont montré que l'un des trous noirs, dans le quasar à lentille appelé la "Croix d'Einstein, " tourne à, ou presque à, le taux maximum possible. Cela correspond à l'horizon des événements, le point de non-retour du trou noir, tourner à la vitesse de la lumière, qui est d'environ 670 millions de miles par heure. Quatre autres trous noirs de l'échantillon tournent, en moyenne, à environ la moitié de ce taux maximum. (Le 6e n'a pas permis d'estimer le spin.)

Pour la croix d'Einstein, l'émission de rayons X provient d'une partie du disque qui fait environ 2,5 fois la taille de l'horizon des événements, et pour les 4 autres quasars, les rayons X proviennent d'une région quatre à cinq fois la taille de l'horizon des événements.

Comment ces trous noirs peuvent-ils tourner si vite ? Les chercheurs pensent que ces trous noirs supermassifs se sont probablement développés en accumulant la majeure partie de leur matière sur des milliards d'années à partir d'un disque d'accrétion tournant avec une orientation et une direction de rotation similaires, plutôt que de directions aléatoires. Comme un manège qui continue d'être poussé dans la même direction, les trous noirs ont continué à prendre de la vitesse.

Les rayons X détectés par Chandra sont produits lorsque le disque d'accrétion entourant le trou noir crée un nuage de plusieurs millions de degrés, ou couronne, au-dessus du disque près du trou noir. Les rayons X de cette couronne se réfléchissent sur le bord intérieur du disque d'accrétion, et les fortes forces gravitationnelles près du trou noir déforment le spectre des rayons X réfléchi, C'est, la quantité de rayons X vus à différentes énergies. Les grandes distorsions observées dans les spectres de rayons X des quasars étudiés ici impliquent que le bord interne du disque doit être proche des trous noirs, donnant une preuve supplémentaire qu'ils doivent tourner rapidement.

Les quasars sont situés à des distances allant de 8,8 milliards à 10,9 milliards d'années-lumière de la Terre, et les trous noirs ont des masses comprises entre 160 et 500 millions de fois celles du soleil. Ces observations ont été les plus longues jamais faites avec Chandra de quasars à lentille gravitationnelle, avec des temps d'exposition totaux compris entre 1,7 et 5,4 jours.