Hvordan vi opdagede den mærkelige fysik af jetfly fra supermassive sorte huller

Supermassive sorte huller, som lurer i hjertet af de fleste galakser, beskrives ofte som "dyr" eller "monstre". Men på trods af dette, de er stort set usynlige. For at vise, at de overhovedet er der, astronomer skal typisk måle hastigheden af ​​de gasskyer, der kredser om disse områder.

Men disse objekter kan nogle gange gøre deres tilstedeværelse mærket gennem skabelsen af ​​kraftige jetfly, som bærer så meget energi, at de er i stand til at overstråle alt det lys, der udsendes af værtsgalaksens stjerner. Vi ved, at disse "relativistiske jetfly" er to strømme af plasma (stof, der består af elektrisk ladede partikler på trods af, at de ikke har nogen samlet ladning), bevæger sig i modsatte retninger med hastigheder meget tæt på lysets hastighed.

Fysikken, der styrer disse kosmiske fontæner, imidlertid, har længe været lidt af et mysterium. Nu vores nye papir, udgivet i Natur astronomi , har kastet lidt lys over årsagerne til deres ekstraordinære udseende.

Det, der gør relativistiske jetfly exceptionelle, er deres imponerende stabilitet:de dukker op fra et område så stort som begivenhedshorisonten (point of no return) af det supermassive sorte hul og forplanter sig langt nok til at bryde ud fra deres værtsgalakse, mens de bevarer deres form i en lang tid. Dette svarer til en længde, der er en milliard gange deres oprindelige radius – for at sætte dette i perspektiv, forestil dig et vandfontæne, der kommer ud af et 1 cm bredt slangerør og forbliver uafbrudt i 10, 000 km.

Når først jetflyene forplanter sig i store afstande fra deres oprindelse, selvom, de mister deres sammenhæng og udvikler udvidede strukturer, som ofte ligner faner eller lapper. Dette indikerer, at jetflyene gennemgår en form for ustabilitet, stærke nok til fuldstændig at ændre deres udseende.

En jet-dikotomi

Det første astrofysiske jetfly blev opdaget i 1918 af den amerikanske astronom Heber Curtis, som bemærkede "en mærkelig lige stråle ... tilsyneladende forbundet med kernen af ​​en tynd stoflinje" i den gigantiske elliptiske galakse M87.

I 1970'erne, to astronomer ved University of Cambridge, Bernie Fanaroff og Julia Riley, studeret et stort ensemble af jetfly. De fandt ud af, at de kunne opdeles i to klasser:dem, der indeholder jetfly, hvis lysstyrke falder med afstanden fra deres oprindelse, og dem, der bliver lysere i deres kanter. Samlet set, sidstnævnte type er omkring 100 gange mere lysende end førstnævnte. De har begge en lidt forskellig form for enden - den første er som en flammende fane, og den anden ligner en tynd turbulent strøm. Præcis hvorfor der er to forskellige slags jetfly er stadig et område med aktiv forskning.

Når jetmateriale bliver accelereret af det sorte hul, den når hastigheder op til 99,9 % af lysets hastighed. Når et objekt bevæger sig så hurtigt, tiden udvides – med andre ord, tidens flow ved jetflyet, målt af en ekstern observatør sænker farten som forudsagt af Einsteins specielle relativitetsteori. På grund af dette, det tager længere tid for de forskellige dele af jetflyet at kommunikere med hinanden – som ved at interagere eller påvirke hinanden – mens de rejser væk fra deres kilde. Det her, effektivt, beskytter strålen mod at blive forstyrret.

Imidlertid, dette kommunikationstab varer ikke evigt. Når strålen skydes ud fra det sorte hul, det udvider sig sidelæns. Denne ekspansion får trykket inde i strålen til at falde, mens trykket af gassen omkring strålen ikke falder så meget. Til sidst, det eksterne gastryk overhaler trykket inde i strålen og får flowet til at trække sig sammen ved at klemme det. På dette tidspunkt, strålens dele kommer så tæt på, at de kan kommunikere igen. Hvis nogle dele af strålen er blevet ustabile i mellemtiden, de kan nu udveksle denne information, og ustabiliteter kan sprede sig for at påvirke hele strålen.

Processen med udvidelse og sammentrækning af strålerne har en anden vigtig konsekvens:strømmen er ikke længere langs lige linjer, men på buede stier. Buede strømme vil sandsynligvis lide af "centrifugal ustabilitet", hvilket betyder, at de begynder at skabe hvirvellignende strukturer kaldet hvirvler. Dette blev ikke anset for at være kritisk for astrofysiske jetfly indtil for nylig.

Ja, vores detaljerede computersimuleringer viser, at relativistiske jetfly bliver ustabile på grund af den centrifugale ustabilitet, som i første omgang kun påvirker deres grænseflade med den galaktiske gas. Men når de først har trukket sig sammen på grund af eksternt pres, denne ustabilitet spreder sig gennem hele strålen. Ustabiliteten er så katastrofal, at jetflyet ikke overlever ud over dette punkt og giver plads til en turbulent fane.

Ved at sætte dette resultat i perspektiv får vi et bedre indblik i den imponerende stabilitet af astrofysiske jetfly. Det kan også hjælpe med at forklare de gådefulde to klasser af jetfly opdaget af Fanaroff og Riley - det hele afhænger af, hvor langt fra sin galakse et jetfly bliver ustabilt. Vi lavede computersimuleringer af, hvordan disse jetfly ville se ud baseret på vores nye forståelse af fysikken i disse kosmiske stråler, og de ligner meget de to klasser, vi ser i astronomiske observationer.

Der er meget mere at lære om det gigantiske, vilde dyr, der bor i centrum af galakser. Men lidt efter lidt, vi optrævler deres mysterium og viser, at de faktisk er fuldkommen lovlydige og forudsigelige.

Denne artikel blev oprindeligt publiceret på The Conversation. Læs den originale artikel.