Zoals de meeste sterrenstelsels, de Melkweg herbergt een superzwaar zwart gat in het centrum. genaamd Boogschutter A*, het object heeft de nieuwsgierigheid van astronomen al tientallen jaren gevangen. En nu is er een poging om het direct in beeld te brengen.

Om een ​​goede foto van het hemelse beest te maken, moet je beter begrijpen wat er omheen gebeurt, wat een uitdaging is gebleken vanwege de enorm verschillende schalen. "Dat is het grootste dat we moesten overwinnen, " zei Sean Ressler, een postdoctoraal onderzoeker aan het Kavli Institute for Theoretical Physics (KITP) van UC Santa Barbara, die zojuist een artikel in de heeft gepubliceerd Astrofysische journaalbrieven , onderzoek naar de magnetische eigenschappen van de accretieschijf rond Sagittarius A*.

In de studie, Resler, collega KITP-postdoc Chris White en hun collega's, Eliot Quataert van UC Berkeley en James Stone van het Institute for Advanced Study, getracht te bepalen of het magnetische veld van het zwarte gat, die wordt gegenereerd door invallende materie, kan opbouwen tot het punt waarop het deze stroom even verstikt, een aandoening die wetenschappers magnetisch gearresteerd noemen. Om dit te beantwoorden, zou het systeem moeten worden gesimuleerd tot aan de dichtstbijzijnde sterren in een baan.

Het systeem in kwestie omvat zeven ordes van grootte. De waarnemingshorizon van het zwarte gat, of envelop zonder terugkeer, bereikt ongeveer 4 tot 8 miljoen mijl van het centrum. In de tussentijd, de sterren draaien op ongeveer 20 biljoen mijl afstand, of ongeveer zo ver als de dichtstbijzijnde naburige ster van de zon.

"Dus je moet de materie volgen die binnenkomt van deze zeer grote schaal tot aan deze zeer kleine schaal, "zei Ressler. "En dat te doen in een enkele simulatie is ongelooflijk uitdagend, tot het punt dat het onmogelijk is." De kleinste gebeurtenissen vinden plaats op tijdschalen van seconden, terwijl de grootste fenomenen zich over duizenden jaren afspelen.

Dit artikel verbindt kleinschalige simulaties, die meestal op theorie zijn gebaseerd, met grootschalige simulaties die kunnen worden beperkt door feitelijke waarnemingen. Om dit te behalen, Ressler verdeelde de taak tussen modellen op drie overlappende schalen.

De eerste simulatie was gebaseerd op gegevens van de omringende sterren van Boogschutter A*. Gelukkig, de activiteit van het zwarte gat wordt gedomineerd door slechts 30 Wolf-Rayet-sterren, die enorme hoeveelheden materiaal afblazen. "Het massaverlies van slechts één van de sterren is groter dan de totale hoeveelheid materiaal die in dezelfde tijd in het zwarte gat valt, " zei Ressler. De sterren geven slechts ongeveer 100 uit, 000 jaar in deze dynamische fase alvorens over te gaan naar een stabielere levensfase.

Met behulp van observatiegegevens, Ressler simuleerde de banen van deze sterren in de loop van ongeveer duizend jaar. Vervolgens gebruikte hij de resultaten als uitgangspunt voor een simulatie van middellange afstanden, die zich over kortere tijdschalen ontwikkelen. Hij herhaalde dit voor een simulatie tot aan de uiterste rand van de waarnemingshorizon, waar activiteit plaatsvindt in een kwestie van seconden. In plaats van harde overlappingen aan elkaar te naaien, deze aanpak stelde Ressler in staat om de resultaten van de drie simulaties in elkaar over te laten lopen.

"Dit zijn echt de eerste modellen van de aanwas op de kleinste schalen in [Boogschutter] A* die rekening houden met de realiteit van de aanvoer van materie afkomstig van ronddraaiende sterren, ", zegt co-auteur White.

En de techniek werkte voortreffelijk. "Het overtrof mijn verwachtingen, ’ merkte Ressler op.

De resultaten gaven aan dat Boogschutter A* magnetisch kan worden gestopt. Dit kwam als een verrassing voor het team, aangezien de Melkweg een relatief rustig galactisch centrum heeft. Gebruikelijk, magnetisch geblokkeerde zwarte gaten hebben hoogenergetische jets die deeltjes met relativistische snelheden wegschieten. Maar tot nu toe hebben wetenschappers weinig bewijs gezien voor jets rond Sagittarius A*.

"Het andere ingrediënt dat jets helpt creëren, is een snel ronddraaiend zwart gat, " zei Wit, "dus dit zegt ons misschien iets over de spin van Boogschutter A*."

Helaas, spin van een zwart gat is moeilijk te bepalen. Ressler modelleerde Sagittarius A* als een stationair object. "We weten niets over de spin, "zei hij. "Er is een mogelijkheid dat het eigenlijk gewoon niet draait."

Ressler en White zijn van plan om een ​​draaiend achtergat te modelleren, wat veel uitdagender is. Het introduceert onmiddellijk een groot aantal nieuwe variabelen, inclusief spinsnelheid, richting en kanteling ten opzichte van de accretieschijf. Ze zullen gegevens van de GRAVITY-interferometer van de European Southern Observatory gebruiken om deze beslissingen te begeleiden.

Het team gebruikte de simulaties om beelden te maken die kunnen worden vergeleken met werkelijke waarnemingen van het zwarte gat. Wetenschappers van de Event Horizon Telescope-samenwerking - die in april 2019 de krantenkoppen haalde met de eerste directe afbeelding van een zwart gat - hebben al contact opgenomen met het verzoek om de simulatiegegevens als aanvulling op hun inspanningen om Sagittarius A* te fotograferen.

De Event Horizon Telescope neemt effectief een tijdsgemiddelde van zijn waarnemingen, wat resulteert in een wazig beeld. Dit was minder een probleem toen het observatorium zijn zinnen had gezet op Messier 87*, omdat het rond de 1 is 000 keer groter dan Boogschutter A*, dus het verandert rond de 1, 000 keer langzamer.

"Het is alsof je een foto maakt van een luiaard versus een foto van een kolibrie, " legde Ressler uit. Hun huidige en toekomstige resultaten zouden het consortium moeten helpen hun gegevens over ons eigen galactische centrum te interpreteren.

De resultaten van Ressler zijn een grote stap voorwaarts in ons begrip van de activiteit in het centrum van de Melkweg. "Dit is de eerste keer dat Sagittarius A* is gemodelleerd over zo'n groot bereik in radii in 3D-simulaties, en de eerste simulaties op gebeurtenishorizonschaal waarbij gebruik wordt gemaakt van directe waarnemingen van de Wolf-Rayet-sterren, ' zei Resler.