Nye 3D-simuleringer viser, hvordan galaktiske centre afkøler deres jetfly

Nogle af de mest ekstreme udbrud, der er observeret i universet, er de mystiske stråler af energi og stof, der stråler fra centrum af galakser med næsten lysets hastighed. Disse smalle jetfly, som typisk dannes i modsatrettede par, menes at være forbundet med supermassive sorte huller og andre eksotiske genstande, selvom de mekanismer, der driver og spreder dem, ikke er godt forstået.

Nu, et lille team af forskere har udviklet teorier understøttet af 3D-simuleringer for at forklare, hvad der er på arbejde.

At finde almindelige årsager til ustabilitet i rumjetfly

"Disse jetfly er notorisk svære at forklare, "sagde Alexander" Sasha "Tchekhovskoy, en tidligere NASA Einstein-stipendiat, der ledede det nye studie som medlem af Nuclear Science Division ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), og afdelingerne Astronomi og Fysik og Teoretisk Astrofysik Center ved UC Berkeley. "Hvorfor er de så stabile i nogle galakser, og i andre falder de bare fra hinanden?"

Hele halvdelen af ​​jetens energi kan slippe ud i form af røntgenstråler og stærkere former for stråling. Forskerne viste, hvordan to forskellige mekanismer – begge relateret til jetflyenes interaktion med omgivende stof, kendt som "omgivelsesmediet" - tjener til at reducere omkring halvdelen af ​​energien fra disse kraftfulde jetfly.

"Den spændende del af denne forskning er, at vi nu er ved at forstå hele rækken af ​​spredningsmekanismer, der virker i jetflyet, "Uanset størrelse eller type af jetfly, han sagde.

Undersøgelsen, som Tchekhovskoy ledede sammen med forskere ved Purdue University, Rodolfo Barniol Duran og Dimitrios Giannios, er offentliggjort i udgaven af ​​21. august Månedlige meddelelser fra Royal Astronomical Society . Undersøgelsen konkluderer, at selve omgivelsesmediet har meget at gøre med, hvordan jeterne frigiver energi.

"Vi var endelig i stand til at simulere jetfly, der starter fra det sorte hul og spreder sig til meget store afstande - hvor de støder ind i det omgivende medium, " sagde Duran, tidligere en postdoktoral forskningsassistent ved Purdue University, som nu er fakultetsmedlem ved California State University, Sacramento.

Tchekhovskoy, der har studeret disse jetfly i over et årti, sagde, at en effekt kendt som magnetisk knækstabilitet, som forårsager en pludselig bøjning i retning af nogle jetfly, og en anden effekt, der udløser en række stød inden for andre jetfly, synes at være de primære mekanismer for energifrigivelse. Tætheden af ​​det omgivende medium, som jetflyene støder på, fungerer som nøgleudløseren for hver type frigivelsesmekanisme.

"I lang tid, vi har spekuleret i, at stød og ustabilitet udløser de spektakulære lysskærme fra jetfly. Nu kan disse ideer og modeller støbes på et meget fastere teoretisk grundlag, " sagde Giannios, assisterende professor i fysik og astronomi ved Purdue.

Strålens længde og intensitet kan belyse egenskaberne ved deres tilhørende sorte huller, såsom deres alder og størrelse, og om de aktivt "føder sig" med omgivende stof. De længste stråler strækker sig i millioner af lysår ud i det omgivende rum.

"Når vi ser på sorte huller, de første ting, vi bemærker, er de centrale striber på disse jetfly. Du kan lave billeder af disse striber og måle deres længder, bredder, og hastigheder for at få information fra selve midten af ​​det sorte hul, "Tchekhovskoy bemærket." Sorte huller har en tendens til at spise i snesevis af titusinder og hundredvis af millioner af år. Disse jetfly er som 'bøvserne' fra sorte huller - de bestemmes af de sorte hullers kost og fodringsfrekvens."

Selvom intet - ikke engang lys - kan undslippe et sort huls indre, jetflyene formår på en eller anden måde at hente deres energi fra det sorte hul. Jetflyene drives af en slags regnskabstrick, forklarede han, som at skrive en check på et negativt beløb og få penge til at stå på din konto. I det sorte huls tilfælde, det er fysikkens love frem for et bankhul, der tillader sorte huller at spytte energi og materie, selvom de suger til sig omgivende stof.

Den utrolige friktion og opvarmning af gasser, der spiraler ind mod det sorte hul, forårsager ekstreme temperaturer og kompression i magnetiske felter, resulterer i en energisk modreaktion og en udstrømning af stråling, der slipper for det sorte huls stærke træk.

En fortælling om magnetiske knæk og sekvenserede stød

Tidligere undersøgelser havde vist, hvordan magnetiske ustabiliteter (knæk) i strålerne kan opstå, når stråler løber ind i det omgivende medium. Denne ustabilitet er som en magnetisk fjeder. Hvis du klemmer fjederen fra begge ender mellem fingrene, foråret flyver sidelæns ud af din hånd. Ligeledes, en jet, der oplever denne ustabilitet, kan ændre retning, når den støder ind i stof uden for det sorte huls rækkevidde.

Den samme type ustabilitet frustrerede videnskabsmænd, der arbejdede på tidlige maskiner, der forsøgte at skabe og udnytte en superhot, ladet tilstand af stof kendt som et plasma i bestræbelserne på at udvikle fusionsenergi, som driver solen. Rumflyene, også kendt som aktive galaktiske kerner (AGN) jetfly, er også en form for plasma.

Den seneste undersøgelse viste, at i tilfælde, hvor et tidligere jetfly havde "forboret" et hul i omgivelsesmediet, der omgiver et sort hul, og det stof, der blev påvirket af den nydannede jet, var mindre tæt, en anden proces er i gang i form af "rekollimations"-chok.

These shocks form as matter and energy in the jet bounce off the sides of the hole. The jet, while losing energy from every shock, immediately reforms a narrow column until its energy eventually dissipates to the point that the beam loses its tight focus and spills out into a broad area.

"With these shocks, the jet is like a phoenix. It comes out of the shock every time, " though with gradually lessening energy, Tchekhovskoy said. "This train of shocks cumulatively can dissipate quite a substantial amount of the total energy."

The researchers designed the models to smash against different densities of matter in the ambient medium to create instabilities in the jets that mimic astrophysical observations.

Peering deeper into the source of jets

Ny, higher-resolution images of regions in space where supermassive black holes are believed to exist – from the Event Horizon Telescope (EHT), for example – should help to inform and improve models and theories explaining jet behavior, Tchekhovskoy said, and future studies could also include more complexity in the jet models, such as a longer sequence of shocks.

"It would be really interesting to include gravity into these models, " han sagde, "and to see the dynamics of buoyant cavities that the jet fills up with hot magnetized plasma as it drills a hole" in the ambient medium.

He added, "Seeing deeper into where the jets come from – we think the jets start at the black hole's event horizon (a point of no return for matter entering the black hole) – would be really helpful to see in nature these 'bounces' in repeating shocks, for eksempel. The EHT could resolve this structure and provide a nice test of our work."