Como redemoinhos no oceano, buracos negros girando no espaço criam uma torrente rodopiante ao seu redor. Contudo, buracos negros não criam redemoinhos de vento ou água. Em vez, eles geram discos de gás e poeira aquecidos a centenas de milhões de graus que brilham na luz de raios-X.

Usando dados do Observatório de Raios-X Chandra da NASA e alinhamentos casuais ao longo de bilhões de anos-luz, astrônomos implantaram uma nova técnica para medir o spin de cinco buracos negros supermassivos. A matéria em um desses vórtices cósmicos está girando em torno de seu buraco negro a mais de cerca de 70% da velocidade da luz.

Os astrônomos tiraram proveito de um fenômeno natural chamado lente gravitacional. Com apenas o alinhamento certo, a curvatura do espaço-tempo por um objeto massivo, como uma grande galáxia, pode ampliar e produzir várias imagens de um objeto distante, conforme previsto por Einstein.

Nesta última pesquisa, astrônomos usaram Chandra e lentes gravitacionais para estudar seis quasares, cada um consistindo de um buraco negro supermassivo consumindo rapidamente matéria de um disco de acreção circundante. A lente gravitacional da luz de cada um desses quasares por uma galáxia interveniente criou várias imagens de cada quasar, como mostrado por essas imagens Chandra de quatro dos alvos. A capacidade de imagem nítida do Chandra é necessária para separar os múltiplos, imagens com lentes de cada quasar.

O principal avanço feito pelos pesquisadores neste estudo foi que eles tiraram proveito da "microlente, "onde estrelas individuais intervêm, a galáxia de lente forneceu ampliação adicional da luz do quasar. Uma ampliação maior significa que uma região menor está produzindo a emissão de raios-X.

Os pesquisadores então usaram a propriedade de que um buraco negro giratório está arrastando o espaço com ele e permite que a matéria orbite mais perto do buraco negro do que é possível para um buraco negro não giratório. Portanto, uma região emissora menor correspondendo a uma órbita estreita geralmente implica em um buraco negro com rotação mais rápida. Os autores concluíram de sua análise de microlente que os raios X vêm de uma região tão pequena que os buracos negros devem estar girando rapidamente.

Os resultados mostraram que um dos buracos negros, no quasar com lente chamado "Cruz de Einstein, "está girando em, ou quase em, a taxa máxima possível. Isso corresponde ao horizonte de eventos, o ponto sem retorno do buraco negro, girando na velocidade da luz, que é cerca de 670 milhões de milhas por hora. Quatro outros buracos negros na amostra estão girando, na média, em cerca de metade dessa taxa máxima. (O 6º não permitiu uma estimativa do spin.)

Para a Cruz de Einstein, a emissão de raios-X é de uma parte do disco que é menos do que cerca de 2,5 vezes o tamanho do horizonte de eventos, e para os outros 4 quasares os raios X vêm de uma região quatro a cinco vezes o tamanho do horizonte de eventos.

Como esses buracos negros podem girar tão rapidamente? Os pesquisadores pensam que esses buracos negros supermassivos provavelmente cresceram acumulando a maior parte de seu material ao longo de bilhões de anos a partir de um disco de acreção girando com uma orientação e direção de rotação semelhantes, em vez de direções aleatórias. Como um carrossel que continua sendo empurrado na mesma direção, os buracos negros continuaram ganhando velocidade.

Os raios-X detectados pelo Chandra são produzidos quando o disco de acreção ao redor do buraco negro cria uma nuvem multimilionária, ou corona, acima do disco perto do buraco negro. Os raios X desta corona refletem na borda interna do disco de acreção, e as fortes forças gravitacionais perto do buraco negro distorcem o espectro de raios-X refletido, isso é, a quantidade de raios-X observada em diferentes energias. As grandes distorções vistas nos espectros de raios-X dos quasares estudados aqui implicam que a borda interna do disco deve estar perto dos buracos negros, dando mais evidências de que eles devem estar girando rapidamente.

Os quasares estão localizados a distâncias que variam de 8,8 bilhões a 10,9 bilhões de anos-luz da Terra, e os buracos negros têm massas entre 160 e 500 milhões de vezes a massa do sol. Essas observações foram as mais longas já feitas com o Chandra de quasares com lentes gravitacionais, com tempos de exposição total variando entre 1,7 e 5,4 dias.