Ett internationellt team under ledning av Dr. Yuan Feng från Shanghai Astronomical Observatory vid den kinesiska vetenskapsakademin har undersökt giltigheten av de två huvudmodellerna av svarta håls jetstrålar genom att beräkna strålningen som förutspås av dessa modeller och jämföra den med observationer av M87-jetstrålar, och fann att modellen "utvinning av svart håls rotationsenergi" exakt förutspådde de observerade strålarna, medan modellen för "extraktion av rotationsenergi för ackretionskivan" kämpade för att förklara observationsresultaten.
De utstrålande elektronerna accelereras genom magnetisk återkoppling i svarta håls jetstrålar, vilket sannolikt drivs av "magnetiska utbrott" i ackretionsskivan. Studien publicerades i Science Advances .
Svarta hål är utomordentligt säregna himlakroppar i universum, som har en oerhört kraftfull gravitationskraft som inte ens ljus kan fly inom sin radie, känd som händelsehorisonten.
Men för mer än ett sekel sedan avslöjade observationer att strax bortom det svarta hålets händelsehorisont, på mycket nära avstånd, kunde det svarta hålet avge kraftfulla utflöden av materia och energi i hastigheter som närmar sig ljusets hastighet – så kallade jetstrålar. Bilder tagna med teleskop visar dessa jetstrålar som skjuter rakt utåt, ungefär som en laserstråle, som sträcker sig över stora avstånd, med längden på vissa jetstrålar till och med överstigande galaxernas skala.
Hur dessa gåtfulla jetstrålar bildas har varit en fråga som studerats i över ett sekel av många forskare, inklusive Nobelpristagaren Sir Roger Penrose. För närvarande finns det främst två modeller inom detta forskningsfält. Den ena handlar om att extrahera det svarta hålets rotationsenergi från magnetiska fält i överdimensionerad skala, känd som modellen "extraktion av svart håls rotationsenergi". Den andra förlitar sig också på storskaliga magnetfält, men till skillnad från den första involverar den att extrahera rotationsenergin från accretionsskivan, kallad "extraction of accretion disc rotational energy"-modellen.
Astronomer försöker bara ta itu med energikällan för jetplanen. Kan strålarna som produceras av dessa två modeller matcha observationsresultaten avseende strålarnas morfologi, bredd, hastighetsfält och polarisering? Vilken av de två modellerna för bildningsmekanismen för dessa jetstrålar är korrekt? Teamet ledd av Dr. Yuan Feng har svarat på dessa två frågor.
Teamet använde jetstrålarna från det supermassiva svarta hålet i mitten av M87-galaxen som ett fall. Detta supermassiva svarta hål är känt som "stjärnan" på den första bilden någonsin av ett svart hål som fångats av Event Horizon Telescope (EHT). Teamet använde storskaliga numeriska simuleringsmetoder för att lösa ekvationerna för generell relativistisk magnetohydrodynamik, och erhöll ackretionsflödet runt det svarta hålet och strålarna som producerades av de två ovan nämnda modellerna.
För att beräkna strålningen från strålarna och jämföra den med observationer är energispektrumet och den rumsliga fördelningen av utstrålande elektroner avgörande. Teamet antog att elektronacceleration inträffade genom den "magnetiska återkopplingsmekanismen" i strålarna. Den övervägde de fysiska mekanismerna för magnetisk återkoppling som accelererar elektroner och kombinerade resultaten av partikelaccelerationsstudier med hjälp av kinetisk teori för att lösa en ekvation för elektronenergifördelning i stationärt tillstånd. Den erhöll energispektra och antal densiteter för elektroner i olika regioner av strålarna.
Kombinerat dessa med resultaten av numeriska simuleringar av ackretion inklusive magnetisk fältstyrka, gasplasmatemperatur och hastighet, erhöll teamet olika förutspådda observationsresultat genom att beräkna strålningsöverföringen inom ramen för den allmänna relativitetsteorien, som kunde jämföras med verkliga observationer.
Resultaten visade att morfologin för strålarna som förutspåddes av modellen "extraktion av svarthåls rotationsenergi" matchade strålarnas observerade morfologi mycket väl, och andra förutsägelser av denna modell, såsom "limb-lightening" av strålarna, strålens bredd , längd och hastighetsfält matchade också observationerna mycket väl. Däremot var förutsägelserna för "extraktion av ackretionsskivans rotationsenergi"-modellen oförenliga med observationer.
Dessutom analyserade teamet den fysiska mekanismen för magnetisk återkoppling och fann att mekanismen beror på "magnetiska utbrott" som genereras av magnetfälten i ackretionsskivan i det svarta hålet M87. Dessa utbrott kan orsaka kraftiga störningar av magnetfältet, som kan fortplanta sig över långa avstånd, vilket leder till magnetisk återkoppling i strålarna.
Detta arbete överbryggar gapet mellan den dynamiska modellen för jetbildning och olika observationsegenskaper hos jetstrålar, vilket ger det första beviset på att denna välkända dynamiska modell tar itu med jetstrålars energifrågor och förklarar andra olika observationsresultat.
Mer information: Hai Yang et al., Modellera den inre delen av jetstrålaren i M87:Konfrontera jetmorfologi med teori, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adn3544
Journalinformation: Vetenskapens framsteg
Tillhandahålls av Chinese Academy of Sciences
