Enkele van de meest extreme uitbarstingen die in het universum zijn waargenomen, zijn de mysterieuze stralen van energie en materie die met bijna de lichtsnelheid vanuit het centrum van sterrenstelsels stralen. Deze smalle jets, die zich typisch in tegengestelde paren vormen, worden verondersteld te worden geassocieerd met superzware zwarte gaten en andere exotische objecten, hoewel de mechanismen die ze aandrijven en verdrijven niet goed worden begrepen.

Nutsvoorzieningen, een klein team van onderzoekers heeft theorieën ontwikkeld die worden ondersteund door 3D-simulaties om uit te leggen wat er aan het werk is.

Veelvoorkomende oorzaken vinden voor instabiliteiten in ruimtestraaljagers

"Deze jets zijn notoir moeilijk uit te leggen, " zei Alexander "Sasha" Tchekhovskoy, een voormalige NASA Einstein-fellow die de nieuwe studie mede leidde als lid van de Nuclear Science Division van het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Department of Energy (Berkeley Lab), en de afdelingen Astronomy and Physics en Theoretical Astrophysics Center van UC Berkeley. "Waarom zijn ze zo stabiel in sommige sterrenstelsels en in andere vallen ze gewoon uit elkaar?"

Maar liefst de helft van de energie van de jets kan ontsnappen in de vorm van röntgenstralen en sterkere vormen van straling. De onderzoekers lieten zien hoe twee verschillende mechanismen – beide gerelateerd aan de interactie van de jets met omringende materie, bekend als het "omgevingsmedium" - dienen om ongeveer de helft van de energie van deze krachtige jets te verminderen.

"Het opwindende deel van dit onderzoek is dat we nu het volledige scala aan dissipatiemechanismen die in de jet werken, gaan begrijpen, " ongeacht de grootte of het type jet, hij zei.

De studie die Tchekhovskoy samen met de Purdue University-wetenschappers Rodolfo Barniol Duran en Dimitrios Giannios leidde, is gepubliceerd in de editie van 21 augustus van Maandelijkse mededelingen van de Royal Astronomical Society . De studie concludeert dat het omgevingsmedium zelf veel te maken heeft met hoe de jets energie vrijgeven.

"We waren eindelijk in staat om jets te simuleren die beginnen bij het zwarte gat en zich voortplanten naar zeer grote afstanden - waar ze tegen het omringende medium botsen, " zei Duran, voorheen een postdoctoraal onderzoeksmedewerker aan de Purdue University, nu een faculteitslid aan de California State University, Sacramento.

Tsjechovskoy, die deze jets meer dan een decennium heeft bestudeerd, zei dat een effect dat bekend staat als magnetische knikstabiliteit, die een plotselinge buiging in de richting van sommige jets veroorzaakt, en een ander effect dat een reeks schokken veroorzaakt in andere jets, lijken de primaire mechanismen voor het vrijkomen van energie te zijn. De dichtheid van het omgevingsmedium dat de jets tegenkomen, dient als de belangrijkste trigger voor elk type ontgrendelingsmechanisme.

"Voor een lange tijd, we hebben gespeculeerd dat schokken en instabiliteiten de spectaculaire lichtvertoningen van jets veroorzaken. Nu kunnen deze ideeën en modellen op een veel stevigere theoretische basis worden gegoten, " zei Giannios, assistent-professor natuurkunde en sterrenkunde aan Purdue.

De lengte en intensiteit van de jets kunnen de eigenschappen van de bijbehorende zwarte gaten verlichten, zoals hun leeftijd en grootte en of ze zich actief "voeden" met omringende materie. De langste jets strekken zich miljoenen lichtjaren uit in de omringende ruimte.

"Als we naar zwarte gaten kijken, het eerste wat ons opvalt zijn de centrale strepen van deze jets. Je kunt afbeeldingen van deze strepen maken en hun lengte meten, breedtes, en snelheden om informatie uit het centrum van het zwarte gat te krijgen, Tchekhovskoy merkte op. "Zwarte gaten hebben de neiging om te eten in eetbuien van tientallen en honderden miljoenen jaren. Deze jets zijn als de 'boeren' van zwarte gaten - ze worden bepaald door het dieet en de voedingsfrequentie van de zwarte gaten."

Hoewel niets – zelfs geen licht – kan ontsnappen aan het interieur van een zwart gat, de jets slagen er op de een of andere manier in om hun energie uit het zwarte gat te halen. De jets worden aangedreven door een soort boekhoudtruc, hij legde uit, zoals het schrijven van een cheque voor een negatief bedrag en er verschijnt geld op uw rekening. In het geval van het zwarte gat het zijn de wetten van de natuurkunde in plaats van een maas in de bankwet waardoor zwarte gaten energie en materie kunnen uitspuwen, zelfs als ze omringende materie naar binnen zuigen.

De ongelooflijke wrijving en verhitting van gassen die in spiralen naar het zwarte gat stromen, veroorzaken extreme temperaturen en compressie in magnetische velden, resulterend in een energetische terugslag en een uitstroom van straling die ontsnapt aan de sterke aantrekkingskracht van het zwarte gat.

Een verhaal over magnetische knikken en opeenvolgende schokken

Eerdere studies hadden laten zien hoe magnetische instabiliteiten (knikken) in de jets kunnen optreden wanneer jets in het omgevingsmedium terechtkomen. Deze instabiliteit is als een magnetische veer. Als je de veer van beide uiteinden tussen je vingers knijpt, de veer vliegt zijwaarts uit je hand. Hetzelfde, een straaljager die deze instabiliteit ervaart, kan van richting veranderen wanneer hij op materie botst buiten het bereik van het zwarte gat.

Hetzelfde type instabiliteit frustreerde wetenschappers die aan vroege machines werkten die probeerden een superhete, geladen toestand van materie bekend als een plasma in pogingen om fusie-energie te ontwikkelen, die de zon van stroom voorziet. De ruimtestralen, ook bekend als actieve galactische kernen (AGN) jets, zijn ook een vorm van plasma.

De laatste studie wees uit dat in gevallen waarin een eerdere jet een gat had "voorgeboord" in het omringende medium rond een zwart gat en de materie die door de nieuw gevormde jet werd getroffen, minder dicht was, er is een ander proces aan het werk in de vorm van "recollimatie" schokken.

These shocks form as matter and energy in the jet bounce off the sides of the hole. The jet, while losing energy from every shock, immediately reforms a narrow column until its energy eventually dissipates to the point that the beam loses its tight focus and spills out into a broad area.

"With these shocks, the jet is like a phoenix. It comes out of the shock every time, " though with gradually lessening energy, Tchekhovskoy said. "This train of shocks cumulatively can dissipate quite a substantial amount of the total energy."

The researchers designed the models to smash against different densities of matter in the ambient medium to create instabilities in the jets that mimic astrophysical observations.

Peering deeper into the source of jets

Nieuw, higher-resolution images of regions in space where supermassive black holes are believed to exist – from the Event Horizon Telescope (EHT), for example – should help to inform and improve models and theories explaining jet behavior, Tchekhovskoy said, and future studies could also include more complexity in the jet models, such as a longer sequence of shocks.

"It would be really interesting to include gravity into these models, " hij zei, "and to see the dynamics of buoyant cavities that the jet fills up with hot magnetized plasma as it drills a hole" in the ambient medium.

Hij voegde toe, "Seeing deeper into where the jets come from – we think the jets start at the black hole's event horizon (a point of no return for matter entering the black hole) – would be really helpful to see in nature these 'bounces' in repeating shocks, bijvoorbeeld. The EHT could resolve this structure and provide a nice test of our work."