De superzware zwarte gaten in de centra van sterrenstelsels zijn de meest massieve objecten in het universum. Ze variëren van ongeveer 1 miljoen tot meer dan 10 miljard keer de massa van de zon. Sommige van deze zwarte gaten schieten ook gigantische, superverhitte plasmastralen met bijna de lichtsnelheid. De belangrijkste manier waarop de jets deze krachtige bewegingsenergie ontladen, is door deze om te zetten in extreem hoogenergetische gammastraling. Echter, UMBC natuurkunde Ph.D. kandidaat Adam Leah Harvey zegt:"Hoe deze straling precies ontstaat, is een open vraag."

De jet moet ergens zijn energie kwijt, en eerder werk is het niet eens waar. De voornaamste kandidaten zijn twee regio's gemaakt van gas en licht die zwarte gaten omringen, het brede-lijngebied en de moleculaire torus genoemd.

De jet van een zwart gat heeft het potentieel om zichtbaar en infrarood licht in beide regio's om te zetten in hoogenergetische gammastraling door een deel van zijn energie weg te geven. Harvey's nieuwe door NASA gefinancierde onderzoek werpt licht op deze controverse door sterk bewijs te leveren dat de jets voornamelijk energie afgeven in de moleculaire torus, en niet in het brede lijngebied. De studie is gepubliceerd in Natuurcommunicatie en co-auteur van UMBC-natuurkundigen Markos Georganopoulos en Eileen Meyer.

Ver weg

Het brede lijngebied ligt dichter bij het centrum van een zwart gat, op een afstand van ongeveer 0,3 lichtjaar. De moleculaire torus is veel verder weg - meer dan 3 lichtjaar. Hoewel al deze afstanden voor een niet-astronoom enorm lijken, het nieuwe werk "vertelt ons dat we energiedissipatie krijgen ver weg van het zwarte gat op de relevante schalen, ' legt Harvey uit.

"De implicaties zijn uiterst belangrijk voor ons begrip van jets gelanceerd door zwarte gaten, ", zegt Harvey. Welke regio voornamelijk de energie van de jet absorbeert, biedt aanwijzingen voor hoe de jets zich aanvankelijk vormen, versnellen, en worden kolomvormig. Bijvoorbeeld, "Het geeft aan dat de jet op kleinere schaal niet genoeg wordt versneld om energie te gaan dissiperen, ' zegt Harvey.

Andere onderzoekers hebben tegenstrijdige ideeën voorgesteld over de structuur en het gedrag van de jets. Vanwege de vertrouwde methoden die Harvey in hun nieuwe werk gebruikte, echter, ze verwachten dat de resultaten breed worden geaccepteerd in de wetenschappelijke gemeenschap. "De resultaten helpen in feite om die mogelijkheden - die verschillende modellen - van jetvorming te beperken."

Op solide basis

Om tot hun conclusies te komen, Harvey paste een standaard statistische techniek toe genaamd "bootstrapping" op gegevens van 62 waarnemingen van zwarte gatstralen. "Veel van wat aan dit artikel voorafging, was erg modelafhankelijk. Andere artikelen hebben veel zeer specifieke aannames gedaan, overwegende dat onze methode uiterst algemeen is, Harvey legt uit. "Er is niet veel dat de analyse ondermijnt. Het zijn goed begrepen methoden, en alleen observatiegegevens gebruiken. Het resultaat moet dus correct zijn."

Centraal in de analyse stond een grootheid die de seed-factor werd genoemd. De seed-factor geeft aan waar de lichtgolven vandaan komen die de jet omzet in gammastraling. Als de conversie plaatsvindt bij de moleculaire torus, één zaadfactor wordt verwacht. Als het in de brede lijn gebeurt, de zaadfactor zal anders zijn.

Georganopolous, universitair hoofddocent natuurkunde en een van Harvey's adviseurs, oorspronkelijk het zaadfactorconcept ontwikkeld, maar "het toepassen van het idee van de zaadfactor moest wachten op iemand met veel doorzettingsvermogen, en deze iemand was Adam Leah, ', zegt Georganopolous.

Harvey berekende de seed-factoren voor alle 62 waarnemingen. Ze ontdekten dat de zaadfactoren vielen in een normale verdeling die bijna perfect was uitgelijnd rond de verwachte waarde voor de moleculaire torus. Dat resultaat suggereert sterk dat de energie van de jet zich ontlaadt in lichtgolven in de moleculaire torus, en niet in het brede lijngebied.

Raaklijnen en zoekopdrachten

Harvey deelt dat de steun van hun mentoren, Georgopoulos en Meyer, assistent-professor natuurkunde, heeft bijgedragen aan het succes van het project. "Ik denk dat zonder dat ze me laten gaan op veel raakvlakken en zoeken naar hoe dingen te doen, dit zou nooit het niveau hebben bereikt waarop het is, ', zegt Harvey. 'Omdat ze me er echt in lieten graven, Ik heb veel meer uit dit project kunnen halen."

Harvey identificeert zich als een "observationeel astronoom, " maar voegt eraan toe, "Ik ben echt meer een datawetenschapper en een statisticus dan een natuurkundige." En de statistieken waren het meest opwindende deel van dit werk, ze zeggen.

"Ik vind het gewoon heel cool dat ik methoden heb kunnen bedenken om zo'n sterke studie te maken van zo'n raar systeem dat zo ver verwijderd is van mijn eigen persoonlijke realiteit." zegt Harvey. "Het wordt leuk om te zien wat mensen ermee doen."