I den här konstnärens återgivning med tillstånd av NASA, resterna av en stjärna som slits isär av ett svart hål bildar en skiva runt det svarta hålets centrum, medan jetstrålar skjuter ut från båda sidor. Strålarna kan färdas med nästan ljusets hastighet, och de släpper ut sin höga energi längs vägen. Ny forskning från UMBC i Nature Communications visar att energiförlusten sker mycket längre bort från det svarta hålets centrum än vad man tidigare trott. Metoderna för studien, standardstatistiska tekniker och minimalt beroende av antaganden från en viss jetmodell, göra resultaten svåra att bestrida. Resultaten ger ledtrådar om jetbildning och struktur. Kredit:NASA
De supermassiva svarta hålen i galaxernas centrum är de mest massiva objekten i universum. De sträcker sig från cirka 1 miljon till uppåt 10 miljarder gånger solens massa. Vissa av dessa svarta hål spränger också ut gigantiska, överhettade plasmastrålar med nästan ljusets hastighet. Det primära sättet som strålarna avger denna kraftfulla rörelseenergi är genom att omvandla den till extremt högenergigammastrålar. Dock, UMBC fysik Ph.D. kandidaten Adam Leah Harvey säger, "Hur exakt denna strålning skapas är en öppen fråga."
Jetstrålen måste ladda ur sin energi någonstans, och tidigare arbete överensstämmer inte var. De främsta kandidaterna är två regioner gjorda av gas och ljus som omger svarta hål, kallas bredlinjeområdet och den molekylära torusen.
Ett svart håls jetstrålar har potential att omvandla synligt och infrarött ljus i båda områdena till högenergigammastrålar genom att ge bort en del av dess energi. Harveys nya NASA-finansierade forskning kastar ljus över denna kontrovers genom att erbjuda starka bevis för att jetstrålarna mestadels frigör energi i den molekylära torusen, och inte i den breda linjen. Studien publicerades i Naturkommunikation och medförfattare av UMBC-fysikerna Markos Georganopoulos och Eileen Meyer.
Långt ut
Den breda linjen ligger närmare mitten av ett svart hål, på ett avstånd av cirka 0,3 ljusår. Den molekylära torusen är mycket längre bort - mer än 3 ljusår. Även om alla dessa avstånd verkar enorma för en icke-astronom, det nya verket "berättar för oss att vi får energiförlust långt bort från det svarta hålet på relevanta skalor, " förklarar Harvey.
"Konsekvenserna är extremt viktiga för vår förståelse av jetplan som skjuts upp av svarta hål, " säger Harvey. Vilken region som i första hand absorberar strålens energi ger ledtrådar till hur strålarna initialt bildas, få fart, och bli kolumnformad. Till exempel, "Det indikerar att strålen inte accelereras tillräckligt i mindre skalor för att börja sprida energi, " säger Harvey.
Andra forskare har föreslagit motsägelsefulla idéer om jetplanens struktur och beteende. På grund av de pålitliga metoder som Harvey använde i sitt nya arbete, dock, de förväntar sig att resultaten är allmänt accepterade i det vetenskapliga samfundet. "Resultaten hjälper i grunden till att begränsa de här möjligheterna - de olika modellerna - för jetbildning."
På fast fot
För att komma till sina slutsatser, Harvey tillämpade en standardstatistisk teknik som kallas "bootstrapping" på data från 62 observationer av svarta håls jetstrålar. "Mycket av det som kom före denna tidning har varit väldigt modellberoende. Andra tidningar har gjort många mycket specifika antaganden, medan vår metod är extremt generell, " Harvey förklarar. "Det finns inte mycket som undergräver analysen. Det är välkända metoder, och bara använda observationsdata. Så resultatet borde vara korrekt."
En storhet som kallas fröfaktorn var central i analysen. Fröfaktorn anger varifrån ljusvågorna som strålen omvandlas till gammastrålar kommer. Om omvandlingen sker vid den molekylära torus, en fröfaktor förväntas. Om det händer i bredlinjeområdet, fröfaktorn kommer att vara annorlunda.
Georganopolous, docent i fysik och en av Harveys rådgivare, utvecklade ursprungligen seed factor-konceptet, men "att tillämpa idén om fröfaktorn fick vänta på någon med mycket uthållighet, och den här personen var Adam Leah, " säger Georganopolous.
Harvey beräknade fröfaktorerna för alla 62 observationer. De fann att fröfaktorerna föll i en normalfördelning i linje nästan perfekt runt det förväntade värdet för den molekylära torusen. Det resultatet tyder starkt på att energin från strålen släpps ut i ljusvågor i den molekylära torusen, och inte i den breda linjen.
Tangenter och sökningar
Harvey delar att stödet från deras mentorer, Georganopoulos och Meyer, biträdande professor i fysik, var avgörande för projektets framgång. "Jag tror att utan att de låter mig gå iväg på en massa tangenter och sökningar om hur man gör saker, det här skulle aldrig ha kommit till den nivå som det är på, " säger Harvey. "För att de tillät mig att verkligen gräva i det, Jag kunde dra ut mycket mer från det här projektet."
Harvey identifierar sig som en "observationsastronom, " men tillägger, "Jag är egentligen mer en dataforskare och statistiker än jag är fysiker." Och statistiken har varit den mest spännande delen av detta arbete, de säger.
"Jag tycker bara att det är riktigt häftigt att jag kunde komma på metoder för att skapa en så stark studie av ett så konstigt system som är så avlägsnat från min egen personliga verklighet." säger Harvey. "Det ska bli kul att se vad folk gör med det."
