Astrofysici van het MIPT hebben een model ontwikkeld voor het testen van een hypothese over superzware zwarte gaten in de centra van sterrenstelsels. Het nieuwe model stelt wetenschappers in staat te voorspellen hoeveel rotatie-energie een zwart gat verliest wanneer het bundels van geïoniseerde materie uitzendt, bekend als astrofysische jets. Het energieverlies wordt geschat op basis van metingen van het magnetische veld van een jet. Het artikel is gepubliceerd in het tijdschrift Grenzen in astronomie en ruimtewetenschappen .

Astrofysici hebben honderden relativistische jets waargenomen - enorme uitstroom van materie die wordt uitgezonden door actieve galactische kernen die superzware zwarte gaten herbergen. De materie in een jet wordt versneld tot bijna de lichtsnelheid, vandaar de term 'relativistisch'. Jets zijn kolossaal, zelfs volgens astronomische maatstaven - hun lengte kan oplopen tot enkele procenten van de straal van het gaststelsel, of ongeveer 300, 000 keer groter dan het bijbehorende zwarte gat.

Dat gezegd hebbende, er is nog steeds veel dat onderzoekers niet weten over jets. Astrofysici weten niet eens zeker waar ze van gemaakt zijn, omdat straalwaarnemingen geen spectraallijnen opleveren. De huidige consensus is dat jets waarschijnlijk zijn gemaakt van elektronen en positronen of protonen, maar ze blijven nogal een mysterie. Naarmate onderzoekers nieuwe gegevens verkrijgen, een meer omvattend en zelfconsistent model van dit fenomeen ontstaat geleidelijk.

De materie die rond een zwart gat draait en op een zwart gat valt, wordt de accretieschijf genoemd. Het speelt een cruciale rol bij de vorming van jets. Een zwart gat, samen met zijn accretieschijf en jets (fig. 1), worden beschouwd als de meest effectieve "machine" voor het omzetten van energie. Als we de efficiëntie van zo'n systeem definiëren als de verhouding van de energie die door de jets wordt meegevoerd tot de energie van de aangegroeide materie, het kan zelfs meer dan 100 procent bedragen.

Hoe dan ook, een nadere beschouwing van het systeem onthult dat de tweede wet van de thermodynamica nog steeds geldt. Dit is geen perpetuum mobile. Het blijkt dat een deel van de energie van de jet afkomstig is van de rotatie van het zwarte gat. Dat is, door een straaljager aan te drijven, een zwart gat draait steeds langzamer.

Op een manier, deze schijnbare eeuwigdurende beweging lijkt meer op een elektrische fiets. Er is een duidelijke mismatch tussen de input-energie van de aangroeiende materie - spierarbeid, in het geval van de motorrijder - en de uitgangsenergie van de jet, of de beweging van de fiets. In beide gevallen, Hoewel, er is een extra verborgen energiebron, namelijk de batterij die de elektromotor van de fiets aandrijft en de rotatie van het zwarte gat.

Via aanwas, een zwart gat krijgt impulsmoment - dat wil zeggen, het begint sneller te draaien. Jets voeren een deel van dit overtollige impulsmoment weg in wat bekend staat als rotatie-energie-extractie. Soortgelijke effecten worden waargenomen bij jonge sterren. Tijdens de vorming van een ster, het legt de kwestie van de accretieschijf vast, die een enorm impulsmoment heeft. Echter, waarnemingen laten zien dat dergelijke sterren eigenlijk vrij langzaam roteren. Alle ontbrekende hoekmomenten worden gebruikt om de smalle jets van deze sterren aan te drijven.

Wetenschappers hebben onlangs een nieuwe methode ontwikkeld voor het meten van de magnetische velden in de jets die worden uitgezonden door de actieve galactische kernen. In haar krant astrofysicus Elena Nokhrina toonde aan dat deze methode kan worden gebruikt om de bijdrage van de rotatie van een zwart gat aan de straalkracht te schatten. Tot nu toe, de formule voor het kanaliseren van rotatie-energie in de energie van de jet is niet empirisch getest. Helaas, geen betrouwbare waarnemingen tot nu toe hebben de rotatiesnelheid van het zwarte gat vastgelegd, wat belangrijk is voor het schatten van het verlies aan rotatie-energie.

Een zwart gat heeft geen eigen magnetisch veld. Echter, daaromheen wordt een verticaal magnetisch veld opgewekt door de geïoniseerde materie in de accretieschijf. Om het verlies van rotatie-energie door een zwart gat te schatten, wetenschappers moeten de magnetische flux vinden door de grens rond een zwart gat dat bekend staat als de gebeurtenishorizon.

"Omdat de magnetische flux behouden blijft, door de grootte ervan in de jet te meten, we leren ook de magnetische flux in de buurt van het zwarte gat. De massa van het zwarte gat kennende, we kunnen de afstand berekenen van zijn rotatie-as tot de waarnemingshorizon - zijn denkbeeldige grens. Dit stelt ons in staat om het elektrische potentiaalverschil tussen de rotatie-as en de grens van het zwarte gat te schatten. Door rekening te houden met de elektrische veldscreening in plasma, het is mogelijk om de elektrische stroom in de buurt van het zwarte gat te vinden. Zowel de stroom als het verschil van potentialen kennen, we kunnen inschatten hoeveel energie het zwarte gat verloren gaat als gevolg van de vertraging van zijn rotatie, " zegt Elena Nokhrina, de auteur van het artikel en plaatsvervangend hoofd van het relativistische astrofysica-laboratorium aan het MIPT.

The calculations point toward a correlation between the total power of a jet emitted by a black hole and the loss of rotational energy by the black hole. Opmerkelijk, this study makes use of a recent model of jet structure (fig. 2). Before this model was advanced, researchers assumed jets to have homogeneous transverse structure, which is a simplification. In the new model, the magnetic field of a jet is not homogeneous, enabling more accurate predictions.

Most of the galaxies hosting jets are too remote for the transverse structure of their magnetic fields to be discerned. So the experimentally measured magnetic field is compared with its model transverse structure to estimate the magnitude of the field's components. Only by taking transverse structure into account is it possible to test the mechanism of black hole rotation powering jets. Anders, it would be necessary to know the rotation rate.

The hypothesis that was put to the test in the study states that jet power depends on the magnetic flux and the rotation rate of the black hole. This makes it possible to gauge to what extent a jet is powered by rotational energy. Opmerkelijk, this theoretical work enables us to estimate how much rotational energy is lost by a black hole without knowing its rotation rate—using only the magnetic field measurements of the jet.