Astrofysiker vid MIPT har utvecklat en modell för att testa en hypotes om supermassiva svarta hål i galaxernas centrum. Den nya modellen gör det möjligt för forskare att förutsäga hur mycket rotationsenergi ett svart hål förlorar när det avger strålar av joniserat material som kallas astrofysiska jetstrålar. Energiförlusten uppskattas baserat på mätningar av en jets magnetfält. Uppsatsen publicerades i tidskriften Gränser inom astronomi och rymdvetenskap .

Astrofysiker har observerat hundratals relativistiska jetstrålar - enorma utflöden av materia som emitteras av aktiva galaktiska kärnor som hyser supermassiva svarta hål. Materien i en jet accelereras nästan till ljusets hastighet, därav termen "relativistisk". Jets är kolossala, även med astronomiska standarder – deras längd kan vara upp till flera procent av värdgalaxens radie, eller cirka 300, 000 gånger större än det tillhörande svarta hålet.

Som sagt, det finns fortfarande mycket som forskare inte vet om jetplan. Astrofysiker är inte ens säkra på vad de är gjorda av eftersom jetobservationer inte ger några spektrallinjer. Nuvarande konsensus håller att jetstrålar sannolikt är gjorda av elektroner och positroner eller protoner, men de förblir ett ganska mysterium. När forskare får nya data, en mer omfattande och självständig modell av detta fenomen växer gradvis fram.

Den materia som kretsar runt och faller ner i ett svart hål kallas för ackretionsskivan. Det spelar en avgörande roll vid jetbildning. Ett svart hål, tillsammans med dess ackretionsskiva och strålar (fig. 1), tros vara den mest effektiva "maskinen" för att omvandla energi. Om vi ​​definierar effektiviteten hos ett sådant system som förhållandet mellan energin som förs bort av strålarna och energin hos det ansamlade materialet, den kan till och med överstiga 100 procent.

Ändå, en närmare titt på systemet avslöjar att termodynamikens andra lag fortfarande gäller. Detta är ingen evighetsmaskin. Det visar sig att en del av strålens energi kommer från det svarta hålets rotation. Det är, genom att driva en jet, ett svart hål snurrar gradvis långsammare.

På ett sätt, denna skenbara evighetsrörelse är mer som en elcykel. Det finns en uppenbar bristande överensstämmelse mellan den tillförda energin från det ackreterande materialet - muskelarbete, i fallet med cyklisten - och jetens utgående energi, eller cykelns rörelse. I båda fallen, fastän, det finns ytterligare en dold energikälla – nämligen batteriet som driver cykelns elmotor och rotationen av det svarta hålet.

Via accretion, ett svart hål får vinkelmomentum – det vill säga, den börjar snurra snabbare. Jets bär bort en del av detta överskott av vinkelmoment i det som kallas rotationsenergiutvinning. Liknande effekter observeras hos unga stjärnor. Under bildandet av en stjärna, den fångar frågan om accretion disk, som har enormt vinkelmomentum. Dock, observationer visar att sådana stjärnor faktiskt roterar ganska långsamt. Alla de saknade vinkelmomenten används för att driva de smala strålarna som sänds ut av dessa stjärnor.

Forskare har nyligen utvecklat en ny metod för att mäta magnetfälten i de strålar som sänds ut av de aktiva galaktiska kärnorna. I hennes tidning, Astrofysikern Elena Nokhrina visade att denna metod kan användas för att uppskatta bidraget från svarta håls rotation till jetkraften. Ända tills nu, formeln för kanalisering av rotationsenergi till strålens energi har inte testats empiriskt. Tyvärr, inga tillförlitliga observationer hittills har fångat svarta håls rotationshastighet, vilket är viktigt för att uppskatta förlusten av rotationsenergi.

Ett svart hål har inget eget magnetfält. Dock, ett vertikalt magnetfält genereras runt den av det joniserade materialet i ackretionsskivan. För att uppskatta förlusten av rotationsenergi genom ett svart hål, forskare måste hitta det magnetiska flödet genom gränsen runt ett svart hål som kallas händelsehorisonten.

"Eftersom det magnetiska flödet bevaras, genom att mäta dess storlek i strålen, vi lär oss också det magnetiska flödet nära det svarta hålet. Att känna till det svarta hålets massa, vi kan beräkna avståndet från dess rotationsaxel till händelsehorisonten – dess tänkta gräns. Detta tillåter oss att uppskatta den elektriska potentialskillnaden mellan rotationsaxeln och gränsen för det svarta hålet. Genom att ta hänsyn till den elektriska fältscreeningen i plasma, det är möjligt att hitta den elektriska strömmen nära det svarta hålet. Att känna till både strömmen och skillnaden i potentialer, vi kan uppskatta mängden energi som förloras av det svarta hålet på grund av att dess rotation saktar ner, " säger Elena Nokhrina, författaren till uppsatsen och biträdande chef för laboratoriet för relativistisk astrofysik vid MIPT.

The calculations point toward a correlation between the total power of a jet emitted by a black hole and the loss of rotational energy by the black hole. I synnerhet, this study makes use of a recent model of jet structure (fig. 2). Before this model was advanced, researchers assumed jets to have homogeneous transverse structure, which is a simplification. I den nya modellen, the magnetic field of a jet is not homogeneous, enabling more accurate predictions.

Most of the galaxies hosting jets are too remote for the transverse structure of their magnetic fields to be discerned. So the experimentally measured magnetic field is compared with its model transverse structure to estimate the magnitude of the field's components. Only by taking transverse structure into account is it possible to test the mechanism of black hole rotation powering jets. Otherwise, it would be necessary to know the rotation rate.

The hypothesis that was put to the test in the study states that jet power depends on the magnetic flux and the rotation rate of the black hole. This makes it possible to gauge to what extent a jet is powered by rotational energy. I synnerhet, this theoretical work enables us to estimate how much rotational energy is lost by a black hole without knowing its rotation rate—using only the magnetic field measurements of the jet.