X-formede radiogalakser kan dannes lettere end forventet

Når astronomer bruger radioteleskoper til at stirre ind i nattehimlen, ser de typisk elliptisk-formede galakser med tvillingestråler, der sprænger fra hver side af deres centrale supermassive sorte hul. Men en gang imellem – mindre end 10 % af tiden – opdager astronomer måske noget særligt og sjældent:En X-formet radiogalakse med fire jetfly, der strækker sig langt ud i rummet.

Selvom disse mystiske X-formede radiogalakser har forvirret astrofysikere i to årtier, kaster en ny Northwestern University-undersøgelse ny indsigt i, hvordan de dannes - og det er overraskende enkelt. Undersøgelsen fandt også, at X-formede radiogalakser kan være mere almindelige end tidligere antaget.

Undersøgelsen vil blive offentliggjort den 29. august i The Astrophysical Journal Letters . Det markerer den første storstilede galaksetilvækstsimulering, der sporer den galaktiske gas langt fra det supermassive sorte hul hele vejen hen mod den.

Enkle forhold fører til rodet resultat

Ved hjælp af nye simuleringer implementerede de nordvestlige astrofysikere enkle betingelser for at modellere føden af ​​et supermassivt sort hul og den organiske dannelse af dets jetfly og tilvækstskive. Da forskerne kørte simuleringen, førte de simple forhold organisk og uventet til dannelsen af ​​en X-formet radiogalakse.

Overraskende nok fandt forskerne ud af, at galaksens karakteristiske X-form skyldtes samspillet mellem strålerne og gassen, der faldt ned i det sorte hul. Tidligt i simuleringen afbøjede den indfaldende gas de nydannede jetfly, som tændte og slukkede, slingrede og pustede par af hulrum op i forskellige retninger for at ligne en X-form. Til sidst blev dyserne dog stærke nok til at presse gassen igennem. På dette tidspunkt stabiliserede jetflyene sig, holdt op med at slingre og forplantede sig langs den ene akse.

"Vi fandt ud af, at selv med simple symmetriske begyndelsesbetingelser kan du få et ret rodet resultat," sagde Northwesterns Aretaios Lalakos, der ledede undersøgelsen. "En populær forklaring på X-formede radiogalakser er, at to galakser støder sammen, hvilket får deres supermassive sorte huller til at smelte sammen, hvilket ændrer spindet af det resterende sorte hul og retningen af ​​jetstrålen. En anden idé er, at jetstrålens form ændres som den interagerer med gas i stor skala, der omslutter et isoleret supermassivt sort hul. Nu har vi afsløret, for første gang, at X-formede radiogalakser faktisk kan dannes på en meget enklere måde."

Lalakos er kandidatstuderende ved Northwesterns Weinberg College of Arts and Sciences og medlem af Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA). Han rådgives i fællesskab af papirmedforfatter Sasha Tchekhovskoy, en assisterende professor i fysik og astronomi ved Northwestern og nøglemedlem af CIERA, og Ore Gottlieb, en CIERA postdoc.

En tilfældig X-form

Selvom radiogalakser udsender synligt lys, omfatter de også store områder med radioemission. Den måske mest berømte radiogalakse er M87, en af ​​de mest massive galakser i universet, som blev yderligere populariseret i 2019, da Event Horizon Telescope afbildede sit centrale supermassive sorthul. X-formede radiogalakser, der blev opfundet første gang i 1992, udgør mindre end 10 % af alle radiogalakser.

Da Lalakos satte sig for at modellere et sort hul, forventede han ikke at simulere en X-formet galakse. I stedet sigtede han på at måle mængden af ​​masse, der blev spist af et sort hul. Han indtastede simple astronomiske forhold i simuleringen og lod den køre. Lalakos anerkendte ikke i begyndelsen vigtigheden af ​​den nye X-form, men Tchekhovskoy reagerede med entusiastisk inderlighed.

"Han sagde, 'Dude, det er meget vigtigt! Dette er en X-form!'" sagde Lalakos. "Han fortalte mig, at astronomer har observeret dette i det virkelige liv og ikke vidste, hvordan de blev dannet. Vi skabte det på en måde, som ingen engang havde spekuleret på før."

I tidligere simuleringer har andre astrofysikere forsøgt at skabe X-formede strukturer kunstigt for at studere, hvordan de opstår. Men Lalakos' simulering førte organisk til X-formen.

"I min simulering forsøgte jeg ikke at antage noget," sagde Lalakos. "Normalt lægger forskerne et sort hul midt i et simuleringsgitter og placerer en stor, allerede dannet gasskive omkring det, og så tilføjer de måske omgivende gas uden for skiven. I denne undersøgelse starter simuleringen uden en skive. men snart dannes der en, efterhånden som den roterende gas kommer tættere på det sorte hul. Denne skive føder så det sorte hul og skaber jetfly. Jeg lavede de enkleste antagelser, så hele resultatet var en overraskelse. Det er første gang nogen har set X -formet morfologi i simuleringer fra meget simple begyndelsesbetingelser."

'Ikke så heldig at se dem'

Fordi X-formen først dukkede op tidligt i simuleringen – indtil jetflyene styrkede og stabiliserede sig – mener Lalakos, at X-formede radiogalakser kan forekomme hyppigere, men vare meget kort tid i universet end tidligere antaget.

"De kan opstå, hver gang det sorte hul får ny gas og begynder at spise igen," sagde han. "Så de forekommer måske ofte, men vi er måske ikke så heldige at se dem, fordi de kun sker, så længe styrken af ​​jetflyet er for svag til at skubbe gassen væk."

Dernæst planlægger Lalakos at fortsætte med at køre simuleringer for bedre at forstå, hvordan disse X-former opstår. Han ser frem til at eksperimentere med størrelsen af ​​tilvækstskiverne og spin af centrale sorte huller. I andre simuleringer inkluderede Lalakos accretion-diske, der næsten ikke eksisterede helt op til ekstremt store – ingen førte til den undvigende X-form.

"For det meste af universet er det umuligt at zoome ind lige i midten og se, hvad der sker meget nær et sort hul," sagde Lalakos. "Og selv de ting, vi kan observere, er vi begrænset af tid. Hvis det supermassive sorte hul allerede er dannet, kan vi ikke observere dets udvikling, fordi menneskets levetid er for kort. I de fleste tilfælde er vi afhængige af simuleringer for at forstå, hvad der sker i nærheden af ​​en sort hul."

Undersøgelsen har titlen "Bridging the Bondi and Event Horizon Scales:3D GRMHD-simuleringer afslører X-formet radiogalaksemorfologi." + Udforsk yderligere

NGC 541 giver brændstof til en uregelmæssig galakse i nyt Hubble-billede