Astrofizycy z Princeton odkrywają tajemnicę dżetów czarnych dziur i galaktycznych „szable świetlne”

Zespołowi astrofizyków z Uniwersytetu Princeton udało się jednoznacznie ustalić, że energia jest bliska tej wartości Czarna dziura M87* naciska na zewnątrz, a nie do wewnątrz, co jest przedmiotem długotrwałej debaty w tej dziedzinie.

Jedyną rzeczą, którą wszyscy wiedzą o czarnych dziurach, jest to, że wszystko w ich pobliżu zostaje przez nie wessane.

ledwie Okazuje się, że wszystko.

Elliot Quataert, astrofizyk i Charles A. Młody profesor astronomii na Uniwersytecie Princeton: „Chociaż czarne dziury są znane jako obiekty, z których nic nie może uciec, jedną z zaskakujących przewidywań teorii względności Einsteina jest to, że czarne dziury mogą w rzeczywistości tracić energię”. Partia z Fundacji z 1897 r. „Może się obracać i tak jak wirujący top zwalnia z czasem i traci energię w trakcie obrotu, tak obracająca się czarna dziura może również tracić energię swojemu otoczeniu”.

Model ten jest powszechnie akceptowany przez badaczy od lat 70. XX wieku. Wiedzieli, że pola magnetyczne mogą pozyskiwać energię z wirujących czarnych dziur, ale nie wiedzieli jak.

Zespół astrofizyków z Uniwersytetu Princeton ostatecznie ustalił, że energia w pobliżu horyzontu zdarzeń czarnej dziury M87* kieruje się na zewnątrz, a nie do wewnątrz. (M87 to nazwa galaktyki, Messier 87, więc czarna dziura w jej centrum nazywa się M87*). Quatert powiedział, że badacze opracowali także sposób sprawdzenia przewidywań, że czarne dziury tracą energię rotacyjną, i udowodnienia, że ​​tak jest energię, która wytwarza „niezwykle potężne wypływy”, które widzimy i które nazywamy strumieniami.

Animacja pokazująca, jak pole magnetyczne przekraczające horyzont zdarzeń czarnej dziury jest skręcone, gdy czarna dziura obraca się szybciej. Szybciej wirująca czarna dziura wiruje pole magnetyczne szybciej, powodując, że czarna dziura traci więcej energii do otoczenia. Zespół astrofizyków z Uniwersytetu Princeton zaobserwował zawijanie się linii pola magnetycznego na obrazach z Teleskopu Horyzontu Zdarzeń przedstawiających polaryzację liniową czarnych dziur. Źródło: Film autorstwa George'a Wonga, Institute for Advanced Study Uniwersytet Princeton

Te strumienie przepływu energii są „w zasadzie jak milion-Rok świetlny„Długie miecze świetlne mogą rozciągać się 10 razy dłużej niż miecze świetlne Jedi” – mówi Alexandru Lobsaska, były pracownik naukowy ze stopniem doktora na Uniwersytecie Princeton. droga Mleczna galaktyka.

Wyniki ich pracy opublikowano niedawno w czasopiśmie the Dziennik astrofizyczny. Pierwszym autorem tego artykułu jest Andrew Chell, pracownik naukowy w dziedzinie astrofizyki. On i współautor George Wong są członkami Teleskop horyzontu zdarzeń Odegrali kluczową rolę w opracowaniu modeli używanych do wyjaśniania czarnych dziur. Chael, Wong, Lobsaska i Quataert są teoretykami z którymi są związani Inicjatywa Grawitacyjna Princeton.

Zespół przypisał Schellowi istotne spostrzeżenie będące podstawą nowego artykułu: kierunek, w którym wznoszą się linie pola magnetycznego, ujawnia kierunek przepływu energii. Od tego momentu „reszta się ułożyła” – powiedział Quataert.

Czarna dziura M87* (znak zodiaku czarnej dziury w centrum galaktyki M87) przykuła uwagę świata, kiedy została po raz pierwszy odkryta przez Teleskop Horyzontu Zdarzeń. Od tego czasu astrofizycy z Uniwersytetu Princeton odkryli, że kręte pole magnetyczne wokół czarnej dziury determinuje wir polaryzacyjny obserwowany na zdjęciach czarnej dziury. W szczególności kierunek przepływu energii (od dziury do pola i odwrotnie) określa sposób owinięcia polaryzacji. Mierząc kierunek skrętu polaryzacji, można wywnioskować, czy pole magnetyczne pobiera energię spinową z dziury, czy też wprowadza do niej energię spinową. Źródło obrazu: Model autorstwa Andrew Chella, George’a Wonga, Alexandru Lobsaski i Elliota Quataerta, Princeton Gravity Initiative

„Gdybyśmy zamienili Ziemię w TNT i wysadzali ją w powietrze 1000 razy na sekundę przez miliony lat, taką ilość energii uzyskalibyśmy z M87” – powiedział Wong, pracownik naukowy na Uniwersytecie Harvarda . Princeton Gravity Initiative i członek Institute for Advanced Study.

Naukowcy wiedzą od dziesięcioleci, że kiedy czarna dziura zaczyna się obracać, pociąga za sobą tkaninę czasoprzestrzeni. Linie pola magnetycznego przechodzące przez czarną dziurę są przyciągane, spowalniając obrót i uwalniając energię.

„Nasza nowa, trafna prognoza jest taka, że ​​ilekroć spojrzymy na astrofizyczną czarną dziurę, jeśli są do niej dołączone linie pola magnetycznego, nastąpi transfer energii — naprawdę szalone ilości transferu energii” – powiedziała Lobsaska, były pracownik naukowy na UCLA . Princeton, a obecnie jest adiunktem fizyki i matematyki na Uniwersytecie Vanderbilt, za co zdobył nagrodę Nagroda „Nowe granice w fizyce” 2024 Otrzymał nagrodę Foundation Breakthrough Award za badania nad czarnymi dziurami.

Choć przepływ energii w pobliżu horyzontu zdarzeń M87* jest skierowany na zewnątrz, zespół stwierdził, że teoretycznie mógłby być skierowany do wewnątrz, do innej czarnej dziury. Są pewni swojego związku między przepływem energii a kierunkiem linii pola magnetycznego, a ich przewidywania, że ​​przepływ energii pochodzi z czarnej dziury, zostaną sprawdzone wraz z uruchomieniem „wciąż teoretycznego” badanianastępne pokolenie„Teleskop Horyzontu Zdarzeń.

Wong powiedział, że przez ostatnie półtora roku badacze czarnych dziur na całym świecie proponowali specyfikacje przyszłego instrumentu. „Dokumenty badawcze takie jak nasz mogą odegrać kluczową rolę w określeniu, czego potrzebujemy. Myślę, że to bardzo ekscytujący czas”.

Czterej badacze podkreślili w swoim artykule, że nie wykazali niezbicie, że rotacja czarnej dziury „faktycznie napędza dżety pozagalaktyczne”, chociaż dowody z pewnością przechylają się w tym kierunku. Chociaż poziomy mocy pokazane w ich modelu są zgodne z potrzebami samolotu, nie można wykluczyć możliwości, że samolot będzie napędzany wirowaniem. osocze Poza czarną dziurą. „Myślę, że jest bardzo prawdopodobne, że czarna dziura jest źródłem zasilania samolotu, ale nie możemy tego udowodnić” – powiedziała Lobsaška. „Do teraz.”

Odniesienie: „Pomiar polaryzacji czarnej dziury I. Signature of Electromagnetic Energy Extraction” autorstwa Andrew Chell, Alexandru Lobsaska, George N. Wong i Elliot Quataert, 14 listopada 2023 r., Dziennik astrofizyczny.
doi: 10.3847/1538-4357/acf92d

Badania były wspierane przez Princeton Gravity Initiative, stypendium Taplin Fellowship, National Science Foundation (grant nr 2307888) oraz nagrodę Simons Foundation Investigator Award.