Supermassiva svarta hål, som lurar i hjärtat av de flesta galaxer, beskrivs ofta som "odjur" eller "monster". Men trots detta, de är ganska osynliga. För att visa att de alls finns där, astronomer måste vanligtvis mäta hastigheten på gasmolnen som kretsar kring dessa regioner.

Men dessa föremål kan ibland göra sin närvaro känd genom skapandet av kraftfulla jetstrålar, som bär så mycket energi att de klarar av att lysa över allt ljus som avges från stjärnorna i värdgalaxen. Vi vet att dessa "relativistiska strålar" är två plasmaströmmar (materia som består av elektriskt laddade partiklar trots att de inte har någon total laddning), färdas i motsatta riktningar med hastigheter mycket nära ljusets hastighet.

Fysiken som styr dessa kosmiska fontäner, dock, har länge varit lite av ett mysterium. Nu vårt nya papper, publicerad i Natur Astronomi , har kastat lite ljus på orsakerna till deras extraordinära utseende.

Det som gör relativistiska jetflyg exceptionella är deras imponerande stabilitet:de kommer från ett område som är lika stort som händelsehorisonten (punkten för ingen återkomst) i det supermassiva svarta hålet och sprider sig tillräckligt långt för att bryta ut från sin värdgalax medan de behåller sin form för ett länge sedan. Detta motsvarar en längd som är en miljard gånger deras initiala radie - för att sätta detta i perspektiv, tänk dig en vattenfontän som kommer ut ur ett 1 cm brett slangrör och förblir ostört i 10, 000km.

När jetplanen förökar sig på stora avstånd från sitt ursprung, fastän, de tappar sin sammanhang och utvecklar utökade strukturer som ofta liknar plymer eller lober. Detta indikerar att jetplanen genomgår någon form av instabilitet, tillräckligt starka för att helt ändra sitt utseende.

En jetdikotomi

Den första astrofysiska jetplanen upptäcktes 1918 av den amerikanske astronomen Heber Curtis, som märkte "en nyfiken rak stråle ... uppenbarligen förbunden med kärnan genom en tunn materielinje" i den gigantiska elliptiska galaxen M87.

På 1970 -talet, två astronomer vid University of Cambridge, Bernie Fanaroff och Julia Riley, studerat en stor samling jets. De fann att de kunde delas in i två klasser:de som innehåller jetplan vars ljusstyrka minskar med avståndet från deras ursprung, och de som blir ljusare vid kanterna. Övergripande, den senare typen är ungefär 100 gånger mer lysande än den förra. De har båda lite olika form i slutet - den första är som en flammande plym och den andra liknar en tunn turbulent ström. Exakt varför det finns två olika sorters jetplan är fortfarande ett område för aktiv forskning.

När jetmaterialet accelereras av det svarta hålet, den når hastigheter upp till 99,9% av ljusets hastighet. När ett objekt rör sig så snabbt, tiden vidgas - med andra ord, tidsflödet vid jetplanet, mätt av en extern observatör saktar ner som förutsagt av Einsteins speciella relativitet. På grund av detta, det tar längre tid för jetens olika delar att kommunicera med varandra - som när de interagerar eller påverkar varandra - när de reser bort från deras källa. Detta, effektivt, skyddar strålen från att störas.

Dock, denna förlust av kommunikation varar inte för evigt. När strålen matas ut från det svarta hålet, det expanderar i sidled. Denna expansion gör att trycket inuti strålen sjunker, medan trycket på gasen som omger strålen inte minskar lika mycket. Så småningom, det yttre gastrycket överträffar trycket inuti strålen och får flödet att dra ihop sig genom att klämma in det. Vid denna tidpunkt, strålens delar kommer så nära att de kan kommunicera igen. Om vissa delar av jetplanet har blivit instabila under tiden, de kan nu utbyta denna information och instabilitet kan spridas för att påverka hela strålen.

Processen med expansion och sammandragning av strålarna har en annan viktig konsekvens:flödet är inte längre längs raka linjer utan på krökta banor. Böjda flöden kommer sannolikt att drabbas av "centrifugal instabilitet" vilket innebär att de börjar skapa virvelliknande strukturer som kallas virvlar. Detta ansågs inte vara kritiskt för astrofysiska jetplan förrän nyligen.

Verkligen, våra detaljerade datasimuleringar visar att relativistiska jetplan blir instabila på grund av centrifugal instabilitet, som initialt bara påverkar deras gränssnitt med den galaktiska gasen. Men när de väl har dragit ihop på grund av yttre tryck, denna instabilitet sprids över hela jetplanet. Instabiliteten är så katastrofal att jetplanet inte överlever bortom denna punkt och ger plats åt en turbulent plume.

Genom att sätta detta resultat i perspektiv får vi en bättre inblick i den astrofysiska jets imponerande stabilitet. Det kan också hjälpa till att förklara de gåtfulla två klasserna av jetplan som upptäcktes av Fanaroff och Riley - allt beror på hur långt från dess galax en jet blir instabil. Vi gjorde datasimuleringar av hur dessa strålar skulle se ut baserat på vår nya förståelse för fysiken hos dessa kosmiska strålar, och de liknar mycket de två klasser vi ser i astronomiska observationer.

Det finns mycket mer att lära om det gigantiska, vilda djur som bor i mitten av galaxer. Men så småningom, vi avslöjar deras mysterium och visar att de verkligen är helt laglydiga och förutsägbara.

Denna artikel publicerades ursprungligen på The Conversation. Läs originalartikeln.