Som de flesta galaxer, Vintergatan är värd för ett supermassivt svart hål i mitten. Kallas Skytten A*, objektet har fångat astronomers nyfikenhet i årtionden. Och nu finns det ett försök att avbilda det direkt.

Att ta ett bra foto av det himmelska odjuret kommer att kräva en bättre förståelse för vad som händer runt det, vilket har visat sig vara utmanande på grund av de mycket olika skalorna som är involverade. "Det är det största vi var tvungna att övervinna, sa Sean Ressler, en postdoktor vid UC Santa Barbara's Kavli Institute for Theoretical Physics (KITP), som just publicerat en tidning i Astrofysiska tidskriftsbrev , undersöka de magnetiska egenskaperna hos accretionskivan som omger Skytten A*.

I studien, Ressler, KITP postdoc Chris White och deras kollegor, Eliot Quataert från UC Berkeley och James Stone vid Institute for Advanced Study, försökte avgöra om det svarta hålets magnetfält, som genereras av infallande materia, kan byggas upp till den punkt då den kortvarigt stryper detta flöde, ett tillstånd som forskare kallar magnetiskt arresterad. För att svara på detta skulle man behöva simulera systemet hela vägen ut till de närmast kretsande stjärnorna.

Systemet i fråga spänner över sju storleksordningar. Det svarta hålets händelsehorisont, eller kuvert utan retur, når cirka 4 till 8 miljoner miles från centrum. Under tiden, stjärnorna kretsar runt 20 biljoner mil bort, eller ungefär så långt som till solens närmaste grannstjärna.

"Så du måste spåra ärendet som faller in från denna mycket stora skala hela vägen ner till denna mycket lilla skala, ", sa Ressler. "Och att göra det i en enda simulering är otroligt utmanande, till den grad att det är omöjligt." De minsta händelserna fortsätter på tidsskalor på sekunder medan de största fenomenen utspelar sig under tusentals år.

Detta papper kopplar samman småskaliga simuleringar, som mestadels är teoribaserade, med storskaliga simuleringar som kan begränsas av faktiska observationer. För att uppnå detta, Ressler delade upp uppgiften mellan modeller i tre överlappande skalor.

Den första simuleringen förlitade sig på data från Sagittarius A*s omgivande stjärnor. Lyckligtvis, det svarta hålets aktivitet domineras av bara ett 30-tal Wolf-Rayet-stjärnor, som blåser av enorma mängder material. "Massförlusten från bara en av stjärnorna är större än den totala mängden saker som faller in i det svarta hålet under samma tid, " sa Ressler. Stjärnorna spenderar bara runt 100, 000 år i denna dynamiska fas innan övergången till ett mer stabilt skede av livet.

Med hjälp av observationsdata, Ressler simulerade dessa stjärnors banor under loppet av cirka tusen år. Han använde sedan resultaten som utgångspunkt för en simulering av medeldistansavstånd, som utvecklas över kortare tidsskalor. Han upprepade detta för en simulering ner till kanten av händelsehorisonten, där aktivitet äger rum på några sekunder. Istället för att sy ihop hårda överlappningar, detta tillvägagångssätt gjorde det möjligt för Ressler att tona in resultaten av de tre simuleringarna i varandra.

"Detta är verkligen de första modellerna av ackretion i de minsta skalorna i [Skytten] A* som tar hänsyn till verkligheten av tillgången på materia som kommer från kretsande stjärnor, " sa medförfattaren White.

Och tekniken fungerade utmärkt. "Det gick över mina förväntningar, ", anmärkte Ressler.

Resultaten visade att Skytten A* kan bli magnetiskt arresterad. Detta kom som en överraskning för laget, eftersom Vintergatan har ett relativt lugnt galaktiskt centrum. Vanligtvis, magnetiskt stoppade svarta hål har högenergistrålar som skjuter bort partiklar med relativistiska hastigheter. Men hittills har forskare sett få bevis för jetplan runt Skytten A*.

"Den andra ingrediensen som hjälper till att skapa jetstrålar är ett snabbt snurrande svart hål, sa White, "så det här kanske säger oss något om Skytten A*s spinn."

Tyvärr, svart håls spinn är svårt att avgöra. Ressler modellerade Sagittarius A* som ett stationärt objekt. "Vi vet ingenting om spinn, " sa han. "Det finns en möjlighet att det faktiskt bara inte snurrar."

Ressler och White planerar nästa att modellera ett snurrande bakre hål, vilket är mycket mer utmanande. Den introducerar omedelbart en mängd nya variabler, inklusive snurrhastighet, riktning och lutning i förhållande till ackretionsskivan. De kommer att använda data från European Southern Observatorys GRAVITY-interferometer för att vägleda dessa beslut.

Teamet använde simuleringarna för att skapa bilder som kan jämföras med faktiska observationer av det svarta hålet. Forskare vid Event Horizon Telescope-samarbetet – som skapade rubriker i april 2019 med den första direkta bilden av ett svart hål – har redan nått ut och begärt simuleringsdata för att komplettera deras ansträngningar att fotografera Skytten A*.

Event Horizon-teleskopet tar effektivt ett tidsgenomsnitt av sina observationer, vilket resulterar i en suddig bild. Detta var ett mindre problem när observatoriet hade siktet på Messier 87*, eftersom det är runt 1, 000 gånger större än Skytten A*, så det ändras runt 1, 000 gånger långsammare.

"Det är som att ta en bild av en sengångare mot att ta en bild av en kolibri, ", förklarade Ressler. Deras nuvarande och framtida resultat borde hjälpa konsortiet att tolka deras data om vårt eget galaktiska centrum.

Resslers resultat är ett stort steg framåt i vår förståelse av verksamheten i Vintergatans centrum. "Detta är första gången som Sagittarius A* har modellerats över ett så stort område i radier i 3D-simuleringar, och de första simuleringarna i händelsehorisontskala för att använda direkta observationer av Wolf-Rayet-stjärnorna, " sa Ressler.