Berømte sorte hul har jetskubber den kosmiske hastighedsgrænse

Event Horizon Telescope Collaboration frigav det første billede af et sort hul med observationer af den massive, mørk genstand i midten af ​​Messier 87, eller M87, april sidste år. Dette sorte hul har en masse på omkring 6,5 milliarder gange solens og er placeret omkring 55 millioner lysår fra Jorden. Det sorte hul er blevet kaldt M87* af astronomer og har for nylig fået det hawaiianske navn "Powehi".

Årevis, astronomer har observeret stråling fra en stråle af højenergipartikler - drevet af det sorte hul - der sprænger ud af midten af ​​M87. De har studeret jetflyet i radio, optisk, og røntgenlys, inklusive med Chandra. Og nu ved at bruge Chandra-observationer, forskere har set, at dele af jetflyet bevæger sig med næsten lysets hastighed.

"Det er første gang, at sådanne ekstreme hastigheder med et sort huls jetfly er blevet optaget ved hjælp af røntgendata, " sagde Ralph Kraft fra Center of Astrophysics | Harvard &Smithsonian (CfA) i Cambridge, Masse., som præsenterede undersøgelsen på mødet i American Astronomical Society i Honolulu, Hawaii. "Vi havde brug for Chandras skarpe røntgensyn for at foretage disse målinger."

Når materien kommer tæt nok på et sort hul, den indgår i et hvirvlende mønster kaldet en tilvækstskive. Noget materiale fra den indre del af tilvækstskiven falder ned på det sorte hul, og noget af det omdirigeres væk fra det sorte hul i form af smalle stråler, eller jetfly, af materiale langs magnetiske feltlinjer. Fordi denne indfaldsproces er uregelmæssig, strålerne er lavet af klumper eller knuder, der nogle gange kan identificeres med Chandra og andre teleskoper.

Forskerne brugte Chandra-observationer fra 2012 og 2017 til at spore bevægelsen af ​​to røntgenknuder placeret inde i strålen omkring 900 og 2, 500 lysår væk fra det sorte hul. Røntgendataene viser bevægelse med tilsyneladende hastigheder på 6,3 gange lysets hastighed for røntgenknuden tættere på det sorte hul og 2,4 gange lysets hastighed for det andet.

"En af fysikkens ubrydelige love er, at intet kan bevæge sig hurtigere end lysets hastighed, " sagde medforfatter Brad Snios, også af CfA. "Vi har ikke brudt fysikken, men vi har fundet et eksempel på et fantastisk fænomen kaldet superluminal bevægelse."

Superluminal bevægelse opstår, når objekter bevæger sig tæt på lysets hastighed langs en retning, der er tæt på vores synslinje. Jetflyet bevæger sig næsten lige så hurtigt mod os som lyset, det genererer, giver den illusion, at jetflyets bevægelse er meget hurtigere end lysets hastighed. I tilfælde af M87*, jetflyet peger tæt på vores retning, resulterer i disse eksotiske tilsyneladende hastigheder.

Astronomer har tidligere set en sådan bevægelse i M87*'s jetfly ved radio- og optiske bølgelængder, men de har ikke endegyldigt kunnet vise, at stof i jetflyet bevæger sig meget tæt på lysets hastighed. For eksempel, de bevægelige træk kan være en bølge eller et stød, ligner et lydbom fra et supersonisk fly, snarere end at spore materiens bevægelser.

Dette seneste resultat viser røntgenstrålers evne til at fungere som en nøjagtig kosmisk fartpistol. Holdet observerede, at funktionen, der bevæger sig med en tilsyneladende hastighed på 6,3 gange lysets hastighed, også falmede med over 70 % mellem 2012 og 2017. Denne fading var sandsynligvis forårsaget af partiklernes tab af energi på grund af den stråling, der produceres, mens de spiraler rundt om en magnetfelt. For at dette kan ske, skal holdet se røntgenstråler fra de samme partikler på begge tidspunkter, og ikke en bevægende bølge.

"Vores arbejde giver det hidtil stærkeste bevis på, at partikler i M87*'s jetfly faktisk rejser tæt på den kosmiske hastighedsgrænse", sagde Snios.

Chandra-dataene er et fremragende supplement til EHT-dataene. Størrelsen på ringen omkring det sorte hul set med Event Horizon-teleskopet er omkring hundrede millioner gange mindre end størrelsen på strålen set med Chandra.

En anden forskel er, at EHT observerede M87 over seks dage i april 2017, giver et nyligt øjebliksbillede af det sorte hul. Chandra-observationerne undersøger udslynget materiale i jetflyet, der blev opsendt fra det sorte hul hundreder og tusinder af år tidligere.

"Det er som om Event Horizon-teleskopet giver et nærbillede af en raketkaster, " sagde CfA's Paul Nulsen, en anden medforfatter til undersøgelsen, "og Chandra viser os raketterne under flugten."

Udover at blive præsenteret på AAS-mødet, disse resultater er også beskrevet i et papir i The Astrofysisk tidsskrift ledet af Brad Snios, der er tilgængelig online.