I mitten av en kvasar, ett svart hål är omgivet av en snurrande ackretionsskiva som består av damm och gas, och det finns två motsatt riktade plasmastrålar som emanerar från den. Formen på strålarna ändras med avståndet från centrum, och som resultat, de ser ut som de berömda utsvängda byxorna. I denna konstnärs återgivning, ett vridet magnetfält och moln av interstellär gas kan ses runt strålen. Kredit:Daria Sokol/MIPT Pressbyrå
Forskare från Ryssland, Tyskland, Finland och USA har studerat mer än 300 kvasarer – snurrande svarta hål som producerar plasmastrålar. Teamet har funnit att formen på dessa så kallade astrofysiska jetstrålar ändras från paraboliska till koniska på något avstånd från det svarta hålet, påminner om 70-talets ikoniska utsvängda jeans. Genom att effektivt mäta dessa "kosmiska byxor, " forskarna strävar efter att tolka funktionen hos den centrala motorn som accelererar materia till nästan ljusets hastighet i mitten av avlägsna aktiva galaxer. Studien rapporteras i Månatliga meddelanden från Royal Astronomical Society.
Beacons av universum
Kvasarer är bland de ljusaste objekten i universum, trots att de är miljarder ljusår borta från jorden. De kallas ibland beacons, och vad de hjälper oss att navigera är inte bara det avlägsna kosmiska förflutna och universums invecklade struktur, men vår egen planet, för. Eftersom de är så avlägsna, kvasarer kan användas som stabila referenspunkter på himlen för att mäta jordens rotation och koordinaterna för objekt på planetens yta. Denna princip ligger till grund för GPS, GLONASS, och andra positioneringssystem.
En kvasar är så ljus att den kan urskiljas på ett enormt avstånd. Visat i figur 1, den är värd för ett snurrande supermassivt svart hål som väger upp till flera miljarder gånger så mycket som vår sol. Materia runt det svarta hålet faller på det, bär ett magnetfält. Fältlinjerna är besläktade med trådar med laddade partiklar uppträdda på dem som pärlor. Figur 2 visar att när magnetfältslinjerna roterar, plasma accelererar till nästan ljusets hastighet. De resulterande utflödena kallas astrofysiska jetstrålar, och det är på grund av dem som kvasarer är sådana bländande föremål.
Sträcker sig mot himlen
Astronomer har tidigare trott att nästan varje jetplan är formad som en smal kon, expanderar i sidled efter att den lämnar området med det svarta hålet.
Schematisk representation av en plasmastråle. Du kan föreställa magnetfältslinjerna som trådar som sticker ut från en skiva, och laddade partiklar som pärlor på dem. Att snurra skivan kommer att få pärlorna att accelerera och flytta sig bort från den. Kredit:Elena Nokhrina och Daria Sokol/MIPT
Efter att ha observerat hundratals kvasarer i två decennier via ett nätverk av radioteleskop utspridda över hela världen, författarna till den nya studien har ifrågasatt detta antagande. De producerade bilder av över 300 kvasarjetstrålar övervakade av MOJAVE-programmet och körde en automatiserad analys av deras former. Som ett resultat, teamet upptäckte 10 kvasarer med parabelformade jetstrålar som utvecklades till kottar. Denna omvandling kunde urskiljas på grund av den relativa närheten av de involverade kvasarerna:Var och en av de 10 visade sig ligga "bara" miljoner ljusår bort. "Stövelblossningen" inträffade på ett avstånd av ungefär flera dussin ljusår från det svarta hålet.
"Mekanismen bakom bildandet och accelerationen av jetstrålar i avlägsna aktiva galaxer har ännu inte förståtts fullt ut, ändå är det avgörande att vi tar reda på hur dessa kosmiska acceleratorer fungerar, " sa professor Yuri Kovalev från Moskvas institut för fysik och teknologi (MIPT) och Lebedev Physical Institute vid den ryska vetenskapsakademin.
"Regionen där jetstrålar kommer från är svår att urskilja. Den är väldigt kompakt, och avståndet till dessa föremål är så stort att allt suddas ut. Så även om flera teoretiska modeller fanns tillgängliga, det fanns inga observationsdata att testa dem mot. Vår studie är den första som rapporterar den detaljerade geometrin för jetplan baserat på observationer av ett stort antal kvasarer, ", tillade astrofysikern.
Att förstå det osynliga
Strålens geometri är ett resultat av ett intrikat samspel mellan de inre och yttre krafterna, magnetfältet, plasman, och den interstellära gasen. Astrofysikerna hittade ett elegant sätt att redogöra för dessa faktorer. En central motor som består av ett snurrande svart hål och ett magnetfält ger en begränsad strömförsörjning och kan inte trycka partiklar till högre och högre hastigheter på obestämd tid, precis som en raketmotor. Det var känt tidigare att plasma snabbar upp lätt bara upp till en viss punkt. Efter det är accelerationen så långsam att den faktiskt stannar. Det är vid denna tidpunkt som byxorna blossar ut.
"Tidigare studier pekade på förändringen i kvasarjetformen som observerats i några få galaxer. de drog inte slutsatsen att det var en egenskap hos alla kvasarer snarare än de enskilda föremålen i fråga. Vi har fäst denna effekt på jetstrålarnas interna egenskaper, och den förklaringen visade sig vara snygg och intuitiv, " sa Dr. Elena Nokhrina från MIPT.
Forskare har nu ett nytt sätt att utvärdera hastigheten för svarta håls rotation och förstå mekanismen bakom bildandet av de otroligt fokuserade och snabba plasmastrålarna i kvasarer, som är så ljusa att de är synliga på miljarder ljusår bort.
