Vissa supermassiva svarta hål skickar kraftfulla strålar av material, eller jets, medan andra inte gör det. Astronomer kan nu ha identifierat varför.

Med hjälp av data från NASA:s Chandra X-ray Observatory, ESA:s XMM-Newton, Tysklands ROentgen SATellite (ROSAT), NSF:s Karl G. Jansky Very Large Array, Sloan Digital Sky Survey, och andra teleskop, forskare har studerat mer än 700 kvasarer – snabbt växande supermassiva svarta hål – för att isolera de faktorer som avgör varför dessa svarta hål lanserar jetstrålar.

Strålar från supermassiva svarta hål kan injicera enorma mängder energi i sin omgivning och starkt påverka utvecklingen av deras miljöer. Tidigare, forskare insåg att ett supermassivt svart hål måste snurra snabbt för att driva starka jetstrålar - men inte alla snabbt snurrande svarta hål har jetstrålar.

"Vi fann att det finns en annan avgörande faktor för huruvida ett supermassivt svart hål har jetstrålar, något som kallas en svart håls korona gängad av magnetfält, " sa Shifu Zhu från Penn State University i University Park, Pennsylvania, som ledde studien. "Om du inte har en korona med svart hål som är ljus i röntgenstrålar, det verkar som om du inte har kraftfulla svarta håls jetstrålar."

Inom astronomi, termen "korona" förknippas vanligtvis med solens yttre atmosfär. Svarta hål coronas, å andra sidan, är områden med diffus het gas som ligger ovanför och under en mycket tätare skiva av material som virvlar runt gravitationshålet. Som koronan runt solen, svarta hålskoronor är gängade med starka magnetfält.

"Det är som att baka bröd där du behöver några ingredienser för att framgångsrikt följa receptet på en limpa, " sa medförfattaren Niel Brandt, även i Penn State. "Våra resultat visar att en ingrediens du inte kan vara utan när du "gör" kraftfulla kvasarstrålar är en ljus corona."

Teamet fick sina resultat genom att få en bättre förståelse för röntgenstrålning från kvasarer. Tidigare studier hade visat att kvasarer utan jetstrålar visar ett karakteristiskt samband mellan styrkan hos deras röntgenstrålning och ultravioletta strålning. Denna korrelation förklaras av ultraviolett ljus från skivan av det svarta hålet som träffar partiklar i korona. Den resulterande energiökningen omvandlar det ultravioletta ljuset till röntgenstrålar.

I den nya studien valde teamet att undersöka beteendet hos kvasarer som har jetplan. De hittade en korrelation mellan hur ljusa de olika kvasarerna är i röntgenstrålning och ultraviolett ljus som är anmärkningsvärt likt det som finns för kvasarer utan jetstrålar. De drog slutsatsen att röntgenstrålningen i de jetdrivande kvasarerna också produceras av en svart håls korona.

Denna slutsats var en överraskning. Tidigare, astronomer trodde att röntgenstrålning från kvasarer med jetstrålar kommer från basen av jetstrålarna eftersom kvasarer med jetstrålar tenderar att vara ljusare i röntgenstrålar än de utan. Den nya studien bekräftar denna skillnad i ljusstyrka men drar slutsatsen att den extra röntgenstrålningen kommer från ljusare svarta håls koronor än de från kvasarer med svagare eller obefintliga jetstrålar.

"Fyndet att röntgenstrålar i kvasarer med jetstrålar kommer från en svart håls corona, snarare än från jetplanen, utmanar 35 års tänkande om den grundläggande karaktären av detta utsläpp, " sa medförfattaren Guang Yang från Texas A&M University i College Station, Texas. "Det kan ge ny insikt i fysiken hos dessa jetplan."

En viktig innebörd av deras arbete är att för att producera kraftfulla jetplan måste en kvasar ha en ljus svart håls korona, gängade av starka magnetfält, förutom ett snabbt snurrande svart hål. Kvasarer med svagare svarta hålskoronor och svagare magnetfält har mindre kraftfulla eller obefintliga jetstrålar oavsett om deras supermassiva svarta hål snurrar snabbt eller inte.

"Både en kvasars kraftfulla jetstrålar och ljusa korona som uppträder tillsammans kan i grunden drivas av magnetfält, " sa Zhu.

Starkare magnetiska fält kan bli resultatet av en tjockare skiva orsakad av en högre hastighet av materia som faller in i det svarta hålet.

Dessa resultat liknar de som hittades för svarta hål med stjärnmassa, som väger mindre än hundra gånger solens massa, jämfört med supermassiva svarta hål som väger miljoner eller miljarder gånger solens massa. Detta stöder tanken att dessa två olika klasser av svarta hål kan vara lika när det gäller deras beteende trots deras mycket olika storlekar.

Teamets prov består av 729 kvasarer med jetplan. Chandra, XMM-Newton, och ROSAT-data användes för 212, 278, respektive 239 kvasarer. Storleken och kvaliteten på teamets prov förklarar varför de kunde avslöja orsaken till röntgenstrålningen.