Forskere afklarer dynamikken i sort huls rotationsenergi

Astrofysikere på MIPT har udviklet en model til test af en hypotese om supermassive sorte huller i galaksernes centre. Den nye model gør det muligt for forskere at forudsige, hvor meget rotationsenergi et sort hul mister, når det udsender stråler af ioniseret stof kendt som astrofysiske jetfly. Energitabet estimeres ud fra målinger af en jets magnetfelt. Avisen blev offentliggjort i tidsskriftet Grænser i astronomi og rumvidenskab .

Astrofysikere har observeret hundredvis af relativistiske jetfly - enorme udstrømninger af stof udsendt af aktive galaktiske kerner, der rummer supermassive sorte huller. Sagen i en stråle accelereres næsten til lysets hastighed, derfor udtrykket "relativistisk". Jetfly er kolossale, selv efter astronomiske standarder - deres længde kan være op til flere procent af værtsgalaksens radius, eller omkring 300, 000 gange større end det tilhørende sorte hul.

Det sagt, der er stadig meget forskerne ikke ved om jetfly. Astrofysikere er ikke engang sikre på, hvad de er lavet af, fordi jetobservationer ikke giver nogen spektrallinjer. Den nuværende konsensus hævder, at jetfly sandsynligvis er lavet af elektroner og positroner eller protoner, men de er stadig et mysterium. Efterhånden som forskere får nye data, en mere omfattende og selvkonsistent model af dette fænomen er gradvist ved at dukke op.

Det stof, der kredser og falder ned på et sort hul, kaldes akkretionsdisken. Det spiller en afgørende rolle i jetdannelse. Et sort hul, sammen med dens accretion disk og dyser (fig. 1), menes at være den mest effektive "maskine" til at omdanne energi. Hvis vi definerer effektiviteten af ​​et sådant system som forholdet mellem den energi, der transporteres af strålerne, og energien af ​​det ophobede stof, det kan endda overstige 100 procent.

Alligevel, et nærmere kig på systemet afslører, at termodynamikkens anden lov stadig gælder. Dette er ingen evighedsmaskine. Det viser sig, at en del af strålens energi kommer fra rotationen af ​​det sorte hul. Det er, ved at drive en jet, et sort hul spinder gradvist langsommere.

På en måde, denne tilsyneladende evige bevægelse er mere som en elektrisk cykel. Der er et tilsyneladende misforhold mellem den tilførte energi fra det tiltagende stof - muskelarbejde, i tilfældet med motorcyklisten - og udgangsenergien fra jetflyet, eller cyklens bevægelse. I begge tilfælde selvom, der er en ekstra skjult energikilde – nemlig batteriet, der driver cyklens elmotor og rotationen af ​​det sorte hul.

Via tilvækst, et sort hul får vinkelmomentum – dvs. det begynder at snurre hurtigere. Jets bortfører noget af dette overskydende vinkelmomentum i det, der er kendt som rotationsenergiudvinding. Lignende effekter observeres hos unge stjerner. Under dannelsen af ​​en stjerne, det fanger spørgsmålet om akkretionsdisken, som har enorm vinkelmomentum. Imidlertid, observationer viser, at sådanne stjerner faktisk roterer ret langsomt. Alle de manglende vinkelmomenta bliver brugt op til at drive de smalle stråler, der udsendes af disse stjerner.

Forskere har for nylig udviklet en ny metode til at måle magnetfelterne i de jetfly, der udsendes af de aktive galaktiske kerner. I hendes papir, astrofysiker Elena Nokhrina viste, at denne metode kan bruges til at estimere bidraget fra sorte huls rotation til jetkraft. Indtil nu, formlen for kanalisering af rotationsenergi ind i jetens energi er ikke blevet testet empirisk. Desværre, ingen pålidelige observationer indtil videre har fanget sorte huls rotationshastighed, hvilket er vigtigt for at estimere tabet af rotationsenergi.

Et sort hul har ikke sit eget magnetfelt. Imidlertid, et lodret magnetfelt genereres omkring det af det ioniserede stof i tilvækstskiven. For at estimere tabet af rotationsenergi ved et sort hul, videnskabsmænd skal finde den magnetiske flux gennem grænsen omkring et sort hul kendt som begivenhedshorisonten.

"Fordi den magnetiske flux er bevaret, ved at måle dens størrelse i jetflyet, vi lærer også den magnetiske flux nær det sorte hul. Kender det sorte huls masse, vi kan beregne afstanden fra dens rotationsakse til begivenhedshorisonten - dens teoretiske grænse. Dette giver os mulighed for at estimere den elektriske potentialforskel mellem rotationsaksen og grænsen for det sorte hul. Ved at tage højde for den elektriske feltscreening i plasma, det er muligt at finde den elektriske strøm nær det sorte hul. Kender både strømmen og forskellen i potentialer, vi kan estimere mængden af ​​energi, der går tabt af det sorte hul på grund af sin langsommere rotation, " siger Elena Nokhrina, forfatteren til papiret og stedfortrædende leder af det relativistiske astrofysiklaboratorium ved MIPT.

The calculations point toward a correlation between the total power of a jet emitted by a black hole and the loss of rotational energy by the black hole. Notably, this study makes use of a recent model of jet structure (fig. 2). Before this model was advanced, researchers assumed jets to have homogeneous transverse structure, which is a simplification. In the new model, the magnetic field of a jet is not homogeneous, enabling more accurate predictions.

Most of the galaxies hosting jets are too remote for the transverse structure of their magnetic fields to be discerned. So the experimentally measured magnetic field is compared with its model transverse structure to estimate the magnitude of the field's components. Only by taking transverse structure into account is it possible to test the mechanism of black hole rotation powering jets. Ellers, it would be necessary to know the rotation rate.

The hypothesis that was put to the test in the study states that jet power depends on the magnetic flux and the rotation rate of the black hole. This makes it possible to gauge to what extent a jet is powered by rotational energy. Notably, this theoretical work enables us to estimate how much rotational energy is lost by a black hole without knowing its rotation rate—using only the magnetic field measurements of the jet.