Wetenschap
Modellering van de straaljager van M87:waarom schijnen straaljagers van zwarte gaten en doorboren ze de kosmische hemel?
Een internationaal team onder leiding van Dr. Yuan Feng van het Shanghai Astronomical Observatory van de Chinese Academie van Wetenschappen heeft de geldigheid van de twee belangrijkste modellen van zwart-gat-jets onderzocht door de straling te berekenen die door deze modellen wordt voorspeld en deze te vergelijken met waarnemingen van de M87-jet. en ontdekte dat het model "extractie van rotatie-energie van een zwart gat" de waargenomen jets nauwkeurig voorspelde, terwijl het model "extractie van rotatie-energie van de accretieschijf" moeite had om de waarnemingsresultaten te verklaren.
De uitstralende elektronen worden versneld door magnetische herverbinding in jets van zwarte gaten, wat waarschijnlijk wordt aangedreven door "magnetische uitbarstingen" in de accretieschijf. Het onderzoek is gepubliceerd in Science Advances .
Zwarte gaten zijn buitengewoon bijzondere hemellichamen in het universum, die een enorm krachtige zwaartekracht bezitten waar zelfs licht niet aan kan ontsnappen binnen hun straal, bekend als de waarnemingshorizon.
Meer dan een eeuw geleden onthulden waarnemingen echter dat het zwarte gat net buiten de waarnemingshorizon van het zwarte gat, op zeer korte afstand, krachtige uitstromen van materie en energie kon uitzenden met snelheden die de snelheid van het licht naderden – ook wel jets genoemd. Opnamen gemaakt door telescopen laten zien dat deze jets recht naar buiten schieten, net als een laserstraal, en zich over grote afstanden uitstrekken, waarbij de lengte van sommige jets zelfs de omvang van sterrenstelsels overtreft.
Hoe deze raadselachtige jets ontstaan, is een vraag die al meer dan een eeuw wordt bestudeerd door veel wetenschappers, waaronder Nobelprijswinnaar Sir Roger Penrose. Momenteel bestaan er hoofdzakelijk twee modellen op dit onderzoeksgebied. Eén ervan betreft het extraheren van de rotatie-energie van het zwarte gat uit magnetische velden op grote schaal, bekend als het "extractie van rotatie-energie van het zwarte gat" -model. De andere is ook afhankelijk van grootschalige magnetische velden, maar in tegenstelling tot de eerste gaat het om het extraheren van de rotatie-energie van de accretieschijf, het zogenaamde 'extractie van de rotatie-energie van de accretieschijf'-model.
Astronomen proberen alleen de energiebron voor de jets te achterhalen. Kunnen de door deze twee modellen geproduceerde jets overeenkomen met de observatieresultaten met betrekking tot de morfologie, breedte, snelheidsveld en polarisatie van de jets? Welke van de twee modellen voor het vormingsmechanisme van deze jets is correct? Het team onder leiding van Dr. Yuan Feng heeft deze twee vragen beantwoord.
Het team gebruikte de jets van het superzware zwarte gat in het centrum van het M87-stelsel als voorbeeld. Dit superzware zwarte gat staat bekend als de ‘ster’ van de allereerste opname van een zwart gat, vastgelegd door de Event Horizon Telescope (EHT). Het team gebruikte grootschalige numerieke simulatiemethoden om de vergelijkingen van de algemene relativistische magnetohydrodynamica op te lossen, en verkreeg de accretiestroom rond het zwarte gat en de jets geproduceerd door de twee hierboven genoemde modellen.
Om de straling van de jets te berekenen en te vergelijken met waarnemingen zijn het energiespectrum en de ruimtelijke verdeling van de uitstralende elektronen cruciaal. Het team veronderstelde dat elektronenversnelling plaatsvond via het "magnetische herverbindings" -mechanisme in de jets. Het beschouwde de fysieke mechanismen van magnetische herverbinding die elektronen versnelt en combineerde de resultaten van deeltjesversnellingsstudies met behulp van kinetische theorie om een steady-state elektronenenergieverdelingsvergelijking op te lossen. Het verkreeg de energiespectra en de getalsdichtheid van elektronen in verschillende delen van de jets.
Gecombineerd met de resultaten van numerieke simulaties van accretie, waaronder magnetische veldsterkte, gasplasmatemperatuur en -snelheid, behaalde het team verschillende voorspelde observatieresultaten door de stralingsoverdracht te berekenen in het kader van de algemene relativiteitstheorie, die vergeleken konden worden met echte waarnemingen. P>
De resultaten toonden aan dat de morfologie van de jets voorspeld door het model "extractie van rotatie-energie van het zwarte gat" zeer goed overeenkwam met de waargenomen morfologie van de jets, en andere voorspellingen van dit model, zoals "het oplichten van de ledematen" van de jets, de straalbreedte , lengte en snelheidsveld kwamen ook zeer goed overeen met de waarnemingen. Daarentegen waren de voorspellingen van het model "extractie van rotatie-energie van de accretieschijf" niet consistent met waarnemingen.
Daarnaast analyseerde het team het fysieke mechanisme van magnetische herverbinding en ontdekte dat het mechanisme te wijten is aan "magnetische uitbarstingen" die worden gegenereerd door de magnetische velden in de accretieschijf van het zwarte gat M87. Deze uitbarstingen kunnen sterke verstoringen van het magnetische veld veroorzaken, die zich over grote afstanden kunnen voortplanten, wat kan leiden tot magnetische herverbinding in de jets.
Dit werk overbrugt de kloof tussen het dynamische model van jetvorming en verschillende observatie-eigenschappen van jets, en levert het eerste bewijs dat dit bekende dynamische model de energieproblemen van jets aanpakt en andere observatieresultaten verklaart.