Innovativ model giver indsigt i det sorte huls adfærd i centrum af vores galakse

Ligesom de fleste galakser, Mælkevejen er vært for et supermassivt sort hul i midten. Kaldet Skytten A*, objektet har fanget astronomers nysgerrighed i årtier. Og nu er der en indsats for at afbilde det direkte.

At tage et godt billede af himmeldyret vil kræve en bedre forståelse af, hvad der foregår omkring det, hvilket har vist sig udfordrende på grund af de vidt forskellige skalaer, der er involveret. "Det er det største, vi skulle overvinde, " sagde Sean Ressler, en postdoktor ved UC Santa Barbaras Kavli Institut for Teoretisk Fysik (KITP), der netop har udgivet et papir i Astrofysiske tidsskriftsbreve , undersøgelse af de magnetiske egenskaber af tilvækstskiven omkring Skytten A*.

I undersøgelsen, Ressler, Fellow KITP postdoc Chris White og deres kolleger, Eliot Quataert fra UC Berkeley og James Stone ved Institute for Advanced Study, søgte at bestemme, om det sorte huls magnetfelt, som genereres af indfaldende stof, kan bygge op til det punkt, hvor den kortvarigt kvæler denne strøm, en tilstand, forskerne kalder magnetisk arresteret. At besvare dette ville kræve simulering af systemet helt ud til de nærmeste stjerner i kredsløb.

Det pågældende system spænder over syv størrelsesordener. Det sorte huls begivenhedshorisont, eller kuvert uden retur, når omkring 4 til 8 millioner miles fra centrum. I mellemtiden stjernerne kredser omkring 20 billioner miles væk, eller omtrent så langt som til solens nærmeste nabostjerne.

"Så du er nødt til at spore sagen, der falder ind fra denne meget store skala helt ned til denne meget lille skala, " sagde Ressler. "Og at gøre det i en enkelt simulering er utroligt udfordrende, til det punkt, at det er umuligt." De mindste begivenheder fortsætter på tidsskalaer på sekunder, mens de største fænomener udspiller sig over tusinder af år.

Dette papir forbinder små simuleringer, som for det meste er teoribaserede, med simuleringer i stor skala, der kan begrænses af faktiske observationer. For at opnå dette, Ressler delte opgaven mellem modeller i tre overlappende skalaer.

Den første simulering var baseret på data fra Skytten A*s omgivende stjerner. Heldigvis, det sorte huls aktivitet er domineret af kun 30 eller deromkring Wolf-Rayet stjerner, som blæser enorme mængder materiale af. "Massetabet fra kun en af ​​stjernerne er større end den samlede mængde af ting, der falder ned i det sorte hul på samme tid, " sagde Ressler. Stjernerne bruger kun omkring 100, 000 år i denne dynamiske fase før overgangen til en mere stabil fase af livet.

Ved hjælp af observationsdata, Ressler simulerede disse stjerners kredsløb i løbet af omkring tusind år. Han brugte derefter resultaterne som udgangspunkt for en simulering af mellemdistanceafstande, som udvikler sig over kortere tidsskalaer. Han gentog dette for en simulering ned til kanten af ​​begivenhedshorisonten, hvor aktivitet finder sted på få sekunder. I stedet for at sy hårde overlapninger sammen, denne tilgang tillod Ressler at fade resultaterne af de tre simuleringer ind i hinanden.

"Dette er virkelig de første modeller af tilvækst i de mindste skalaer i [Skytten] A*, der tager højde for virkeligheden af ​​forsyningen af ​​stof, der kommer fra kredsende stjerner, " sagde medforfatter White.

Og teknikken fungerede glimrende. "Det gik over mine forventninger, " bemærkede Ressler.

Resultaterne viste, at Skytten A* kan blive magnetisk standset. Dette kom som en overraskelse for holdet, da Mælkevejen har et relativt stille galaktisk centrum. Som regel, magnetisk standsede sorte huller har højenergijetfly, der skyder partikler væk med relativistiske hastigheder. Men indtil videre har videnskabsmænd kun set få beviser for jetfly omkring Sagittarius A*.

"Den anden ingrediens, der hjælper med at skabe jetfly, er et hurtigt roterende sort hul, " sagde hvid, "så dette kan måske fortælle os noget om Sagittarius A*s spin."

Desværre, sort hul spin er svært at bestemme. Ressler modellerede Sagittarius A* som et stationært objekt. "Vi ved ikke noget om spin, " sagde han. "Der er en mulighed for, at det faktisk bare ikke snurrer."

Ressler og White planlægger næste gang at modellere et spinnende baghul, hvilket er meget mere udfordrende. Den introducerer straks en række nye variabler, inklusive spinhastighed, retning og hældning i forhold til accretionsskiven. De vil bruge data fra European Southern Observatorys GRAVITY-interferometer til at vejlede disse beslutninger.

Holdet brugte simuleringerne til at skabe billeder, der kan sammenlignes med faktiske observationer af det sorte hul. Forskere ved Event Horizon Telescope-samarbejdet – som skabte overskrifter i april 2019 med det første direkte billede af et sort hul – har allerede nået ud og anmodet om simuleringsdataene for at supplere deres indsats for at fotografere Skytten A*.

Event Horizon-teleskopet tager effektivt et tidsgennemsnit af sine observationer, hvilket resulterer i et sløret billede. Dette var mindre af et problem, da observatoriet havde deres syn på Messier 87*, fordi det er omkring 1, 000 gange større end Skytten A*, så det ændrer sig omkring 1, 000 gange langsommere.

"Det er som at tage et billede af en dovendyr i forhold til at tage et billede af en kolibri, Ressler forklarede. Deres nuværende og fremtidige resultater skulle hjælpe konsortiet med at fortolke deres data om vores eget galaktiske center.

Resslers resultater er et stort skridt fremad i vores forståelse af aktiviteten i centrum af Mælkevejen. "Dette er første gang, at Sagittarius A* er blevet modelleret over et så stort område i radier i 3D-simuleringer, og de første hændelseshorisontskala-simuleringer til at anvende direkte observationer af Wolf-Rayet-stjernerne, " sagde Ressler.