Denna återgivning illustrerar magnetisk kinkinstabilitet i simulerade jetstrålar som strålar från en galaxs centrum. Strålarna tros vara förknippade med supermassiva svarta hål. Den magnetiska fältlinjen (vit) i varje jet vrids när det centrala föremålet (svarta hålet) roterar. När strålarna kommer i kontakt med materia med högre densitet byggs magnetfälten upp och blir instabila. De oregelbundna böjningarna och asymmetrierna hos magnetfältslinjerna är symptomatiska för kinkinstabilitet. Instabiliteten leder bort magnetfälten till värme med förändringen i densitet, vilket leder till att de blir mindre hårt sårade. Kredit:Berkeley Lab, Purdue University, NASA
Några av de mest extrema utbrotten som observerats i universum är de mystiska strålarna av energi och materia som strålar från galaxernas centrum med nästan ljusets hastighet. Dessa smala jetstrålar, som vanligtvis bildas i motsatta par tros vara associerade med supermassiva svarta hål och andra exotiska föremål, även om mekanismerna som driver och skingra dem inte är väl förstådda.
Nu, ett litet team av forskare har utvecklat teorier som stöds av 3D-simuleringar för att förklara vad som fungerar.
Hitta vanliga orsaker till instabilitet i rymdjetplan
"Dessa jetplan är notoriskt svåra att förklara, "sa Alexander" Sasha "Tchekhovskoy, en före detta NASA Einstein-stipendiat som var med och ledde den nya studien som medlem av Nuclear Science Division vid Department of Energys Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), och avdelningarna för astronomi och fysik och teoretiskt astrofysikcenter vid UC Berkeley. "Varför är de så stabila i vissa galaxer och i andra faller de bara isär?"
Så mycket som hälften av strålarnas energi kan komma ut i form av röntgenstrålar och starkare former av strålning. Forskarna visade hur två olika mekanismer – båda relaterade till strålarnas interaktion med omgivande materia, känd som "omgivande medium" - tjänar till att minska ungefär hälften av energin hos dessa kraftfulla jetstrålar.
"Den spännande delen av den här forskningen är att vi nu börjar förstå hela skalan av spridningsmekanismer som fungerar i jetplanen, "oavsett storlek eller typ av jet, han sa.
En animation som visar magnetfältsinstabilitet i två strålar av strålning och materia som strålar från ett supermassivt svart hål (mitten). Magnetfältet (vitt) vrids av det svarta hålets snurr. Kredit:Berkeley Lab, Purdue University
Studien som Tchekhovskoy ledde tillsammans med Purdue University-forskarna Rodolfo Barniol Duran och Dimitrios Giannios publiceras i den 21 augusti upplagan av Månatliga meddelanden från Royal Astronomical Society . Studien drar slutsatsen att det omgivande mediet i sig har mycket att göra med hur strålarna frigör energi.
"Vi kunde äntligen simulera jetstrålar som startar från det svarta hålet och fortplantar sig till mycket stora avstånd – där de stöter in i det omgivande mediet, "sa Duran, tidigare en postdoktoral forskningsassistent vid Purdue University som nu är fakultetsmedlem vid California State University, Sacramento.
Tjechovskoy, som har studerat dessa jetplan i över ett decennium, sade att en effekt som kallas magnetisk knäckstabilitet, som orsakar en plötslig böjning i riktning mot vissa jetstrålar, och en annan effekt som utlöser en serie stötar i andra jetplan, verkar vara de primära mekanismerna för energifrisättning. Densiteten hos det omgivande mediet som strålarna möter fungerar som nyckelutlösaren för varje typ av frigöringsmekanism.
"Under en lång tid, vi har spekulerat i att stötar och instabiliteter utlöser de spektakulära ljusvisningarna från jetplan. Nu kan dessa idéer och modeller gjutas på en mycket fastare teoretisk grund, sa Giannios, biträdande professor i fysik och astronomi vid Purdue.
Strålarnas längd och intensitet kan belysa egenskaperna hos deras tillhörande svarta hål, såsom deras ålder och storlek och om de aktivt "matar" på omgivande materia. De längsta strålarna sträcker sig i miljontals ljusår ut i omgivande rymden.
"När vi tittar på svarta hål, det första vi lägger märke till är de centrala ränderna på dessa jetplan. Du kan ta bilder av dessa ränder och mäta deras längder, bredder, och hastigheter för att få information från själva mitten av det svarta hålet, " Tchekhovskoy noterade. "Svarta hål tenderar att äta i hetsätningar på tiotals och hundratals miljoner år. Dessa jetstrålar är som svarta håls "rapningar" - de bestäms av de svarta hålens diet och matningsfrekvens."
Denna animation visar utbredningen av en stråle med högenergistrålning och materia från ett svart hål (vid foten av animationen) i en simulering, vid fyra olika tidpunkter. Ramarna visar vad som händer när strålen kommer i kontakt med tätare materia när den når ut i det omgivande rummet. Kredit:Berkeley Lab, Purdue University
Medan ingenting – inte ens ljus – kan undkomma ett svart håls inre, strålarna lyckas på något sätt hämta sin energi från det svarta hålet. Jetplanen drivs av ett slags bokföringsknep, han förklarade, som att skriva en check på ett negativt belopp och få pengar att visas på ditt konto. I det svarta hålets fall, det är fysikens lagar snarare än ett kryphål som gör att svarta hål kan spruta energi och materia även när de suger in omgivande materia.
Den otroliga friktionen och uppvärmningen av gaser som spiraler in mot det svarta hålet orsakar extrema temperaturer och komprimering i magnetfält, vilket resulterar i ett energiskt motreaktion och ett utflöde av strålning som undkommer det svarta hålets starka drag.
En berättelse om magnetiska kinks och sekvenserade stötar
Tidigare studier har visat hur magnetiska instabiliteter (kinks) i strålarna kan uppstå när strålar rinner in i det omgivande mediet. Denna instabilitet är som en magnetisk fjäder. Om du trycker ihop fjädern från båda ändarna mellan fingrarna, fjädern kommer att flyga i sidled ur din hand. Likaså, ett jetplan som upplever denna instabilitet kan ändra riktning när det ramlar in i materia utanför det svarta hålets räckvidd.
Samma typ av instabilitet frustrerade forskare som arbetade med tidiga maskiner som försökte skapa och utnyttja en superhot, laddat tillstånd av materia känt som plasma i ansträngningar att utveckla fusionsenergi, som driver solen. Rymdstrålarna, även känd som aktiva galaktiska kärnor (AGN) jetstrålar, är också en form av plasma.
Den senaste studien fann att i fall där en tidigare jet hade "förborrat" ett hål i det omgivande mediet som omgav ett svart hål och materialet som påverkades av den nybildade jetstrålen var mindre tät, en annan process är igång i form av "rekollimations"-chocker.
Jämförelse sida vid sida av densitets "snapshots" producerade i en 3D-simulering av jetstrålar som strålar ut från ett svart hål (vid basen av bilder). Rött visar högre densitet och blått visar lägre densitet. De svarta riktningslinjerna visar magnetfältströmlinjer. The perturbed magnetic lines reflect both the emergence of irregular magnetic fields in the jets and the large-scale deviations of the jets out of the image plane, both caused by the 3D magnetic kink instability. Credit:Berkeley Lab, Purdue University
These shocks form as matter and energy in the jet bounce off the sides of the hole. The jet, while losing energy from every shock, immediately reforms a narrow column until its energy eventually dissipates to the point that the beam loses its tight focus and spills out into a broad area.
"With these shocks, the jet is like a phoenix. It comes out of the shock every time, " though with gradually lessening energy, Tchekhovskoy said. "This train of shocks cumulatively can dissipate quite a substantial amount of the total energy."
The researchers designed the models to smash against different densities of matter in the ambient medium to create instabilities in the jets that mimic astrophysical observations.
Peering deeper into the source of jets
Ny, higher-resolution images of regions in space where supermassive black holes are believed to exist – from the Event Horizon Telescope (EHT), for example – should help to inform and improve models and theories explaining jet behavior, Tchekhovskoy said, and future studies could also include more complexity in the jet models, such as a longer sequence of shocks.
"It would be really interesting to include gravity into these models, " han sa, "and to see the dynamics of buoyant cavities that the jet fills up with hot magnetized plasma as it drills a hole" in the ambient medium.
Han lade till, "Seeing deeper into where the jets come from – we think the jets start at the black hole's event horizon (a point of no return for matter entering the black hole) – would be really helpful to see in nature these 'bounces' in repeating shocks, till exempel. The EHT could resolve this structure and provide a nice test of our work."
