Modellering af M87s jetfly:Hvorfor skinner sorte huls jetfly og gennemborer den kosmiske himmel?

Et internationalt hold ledet af Dr. Yuan Feng fra Shanghai Astronomical Observatory fra Det Kinesiske Videnskabsakademi har undersøgt gyldigheden af ​​de to hovedmodeller af sorte huls jetfly ved at beregne strålingen forudsagt af disse modeller og sammenligne den med observationer af M87-strålen, og fandt ud af, at modellen "udvinding af sort huls rotationsenergi" nøjagtigt forudsagde de observerede jetfly, mens modellen "udvinding af rotationsenergi til akkretionskive" kæmpede for at forklare observationsresultaterne.

De udstrålende elektroner accelereres af magnetisk genforbindelse i sorte huls jetfly, som sandsynligvis er drevet af "magnetiske udbrud" i accretion disken. Undersøgelsen blev offentliggjort i Science Advances .

Sorte huller er usædvanligt ejendommelige himmellegemer i universet, som besidder en uhyre kraftig gravitationskraft, som selv lys ikke kan undslippe inden for deres radius, kendt som begivenhedshorisonten.

Imidlertid afslørede observationer for mere end et århundrede siden, at lige ud over det sorte huls begivenhedshorisont, på meget tæt afstand, kunne det sorte hul udsende kraftige udstrømninger af stof og energi med hastigheder, der nærmer sig lysets hastighed - kendt som jetfly. Billeder taget med teleskoper viser disse jetfly, der skyder lige udad, ligesom en laserstråle, der strækker sig til store afstande, hvor længden af ​​nogle jetfly endda overgår galaksernes skala.

Hvordan disse gådefulde jetfly dannes, har været et spørgsmål studeret i over et århundrede af mange forskere, herunder nobelpristageren Sir Roger Penrose. I øjeblikket er der hovedsageligt to modeller inden for dette forskningsfelt. Den ene involverer udvinding af det sorte huls rotationsenergi fra magnetiske felter i overstørrelse, kendt som modellen "ekstraktion af sort huls rotationsenergi". Den anden er også afhængig af magnetiske felter i stor skala, men i modsætning til den første involverer den at udvinde rotationsenergien fra tilvækstskiven, kaldet "ekstraktion af tilvækstskivens rotationsenergi"-modellen.

Astronomer forsøger kun at adressere energikilden til jetflyene. Kan strålerne produceret af disse to modeller matche observationsresultaterne med hensyn til strålernes morfologi, bredde, hastighedsfelt og polarisering? Hvilken af ​​de to modeller for dannelsesmekanismen for disse jetfly er korrekt? Holdet ledet af Dr. Yuan Feng har besvaret disse to spørgsmål.

Holdet brugte jetflyene fra det supermassive sorte hul i midten af ​​M87-galaksen som etui. Dette supermassive sorte hul er kendt som "stjernen" på det første billede nogensinde af et sort hul, der er fanget af Event Horizon Telescope (EHT). Holdet brugte numeriske simuleringsmetoder i stor skala til at løse ligningerne for generel relativistisk magnetohydrodynamik og opnåede tilvækststrømmen omkring det sorte hul og jetflyene produceret af de to ovennævnte modeller.

For at beregne strålingen fra strålerne og sammenligne den med observationer er energispektret og den rumlige fordeling af udstrålende elektroner afgørende. Holdet antog, at elektronacceleration fandt sted gennem den "magnetiske genforbindelsesmekanisme" i jetflyene. Det overvejede de fysiske mekanismer af magnetisk genforbindelse, der accelererer elektroner og kombinerede resultaterne af partikelaccelerationsstudier ved hjælp af kinetisk teori for at løse en steady-state elektronenergifordelingsligning. Det opnåede energispektre og antal tætheder af elektroner i forskellige områder af strålerne.

Kombineret disse med resultaterne af numeriske simuleringer af tilvækst, herunder magnetisk feltstyrke, gasplasmatemperatur og -hastighed, opnåede holdet forskellige forudsagte observationsresultater ved at beregne strålingsoverførslen inden for rammerne af den generelle relativitetsteori, som kunne sammenlignes med virkelige observationer.

Resultaterne viste, at dysernes morfologi forudsagt af "ekstraktion af sorte huls rotationsenergi"-modellen matchede den observerede morfologi af strålerne meget godt, og andre forudsigelser af denne model, såsom "blinkning" af dyserne, jetbredde , længde og hastighedsfelt matchede også observationerne meget godt. I modsætning hertil var forudsigelserne af "ekstraktion af akkretionskive rotationsenergi"-modellen inkonsistente med observationer.

Derudover analyserede holdet den fysiske mekanisme for magnetisk genforbindelse og fandt ud af, at mekanismen skyldes "magnetiske udbrud" genereret af magnetfelterne i akkretionsskiven i det sorte hul M87. Disse udbrud kan forårsage stærke forstyrrelser af magnetfeltet, som kan forplante sig over lange afstande, hvilket fører til magnetisk genforbindelse i strålerne.

Dette arbejde bygger bro mellem den dynamiske model for jetdannelse og forskellige observationsegenskaber ved jetfly, hvilket giver det første bevis på, at denne velkendte dynamiske model adresserer jetflys energiproblemer og forklarer andre forskellige observationsresultater.

Flere oplysninger: Hai Yang et al., Modellering af den indre del af jetflyet i M87:Konfrontation af jetmorfologi med teori, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adn3544

Journaloplysninger: Videnskabelige fremskridt

Leveret af Chinese Academy of Sciences