Kara delik jetleri neden parlıyor ve kozmik gökyüzünü deliyor?

Çin Bilimler Akademisi Şangay Astronomi Gözlemevi’nden Dr. Yuan Feng liderliğindeki uluslararası bir ekip, bu modellerin öngördüğü radyasyonu hesaplayarak ve bunu M87 jetinin gözlemleriyle karşılaştırarak iki ana kara delik jeti modelinin geçerliliğini araştırdı. ve “kara delik dönme enerjisinin çıkarılması” modelinin gözlemlenen jetleri doğru bir şekilde tahmin ettiğini, “birikim diski dönme enerjisinin çıkarılması” modelinin ise gözlem sonuçlarını açıklamakta zorlandığını buldu.

Yayılan elektronlar, muhtemelen birikim diskindeki “manyetik patlamalar” tarafından yönlendirilen kara delik jetlerindeki manyetik yeniden bağlanmayla hızlandırılır. çalışmak şurada yayınlandı Bilim Gelişmeleri.

Kara delikler, evrendeki olağanüstü derecede tuhaf gök cisimleridir ve olay ufku olarak bilinen, kendi yarıçapları içinde ışığın bile kaçamayacağı son derece güçlü bir çekim kuvvetine sahiptirler.

Bununla birlikte, bir asırdan fazla bir süre önce yapılan gözlemler, kara deliğin olay ufkunun hemen ötesinde, çok yakın bir mesafede, jet olarak bilinen, ışık hızına yaklaşan hızlarda güçlü madde ve enerji çıkışları yayabildiğini ortaya çıkardı. Teleskoplarla çekilen görüntüler, bu jetlerin bir lazer ışınına benzer şekilde doğrudan dışarıya doğru fırladığını, çok uzak mesafelere uzandığını ve bazı jetlerin uzunluklarının galaksi ölçeğini bile aştığını gösteriyor.

Bu esrarengiz jetlerin nasıl oluştuğu, aralarında Nobel ödüllü Sir Roger Penrose’un da bulunduğu pek çok bilim insanı tarafından yüzyılı aşkın süredir üzerinde çalışılan bir soru olmuştur. Şu anda bu araştırma alanında temel olarak iki model bulunmaktadır. Bunlardan biri, “kara delik dönme enerjisinin çıkarılması” modeli olarak bilinen, kara deliğin dönme enerjisinin büyük boyutlu manyetik alanlardan çıkarılmasını içerir. Diğeri de büyük ölçekli manyetik alanlara dayanır, ancak ilkinden farklı olarak, “birikim diski dönme enerjisinin çıkarılması” modeli olarak adlandırılan, toplanma diskinin dönme enerjisinin çıkarılmasını içerir.

Gökbilimciler jetlerin yalnızca enerji kaynağını bulmaya çalışıyorlar. Bu iki model tarafından üretilen jetler, jetlerin morfolojisi, genişliği, hız alanı ve polarizasyonuna ilişkin gözlemsel sonuçlarla eşleşebilir mi? Bu jetlerin oluşum mekanizmasına ilişkin iki modelden hangisi doğrudur? Dr. Yuan Feng liderliğindeki ekip bu iki soruyu yanıtladı.

Ekip, örnek olarak M87 galaksisinin merkezindeki süper kütleli kara delikten gelen jetleri kullandı. Bu süper kütleli kara delik, Olay Ufku Teleskobu (EHT) tarafından çekilen ilk kara delik görüntüsünün “yıldızı” olarak biliniyor. Ekip, genel göreli manyetohidrodinamiğin denklemlerini çözmek için büyük ölçekli sayısal simülasyon yöntemleri kullandı ve kara delik etrafındaki birikim akışını ve yukarıda bahsedilen iki model tarafından üretilen jetleri elde etti.

Jetlerden gelen radyasyonu hesaplamak ve bunu gözlemlerle karşılaştırmak için enerji spektrumu ve yayılan elektronların uzaysal dağılımı çok önemlidir. Ekip, elektron ivmesinin jetlerdeki “manyetik yeniden bağlanma” mekanizması yoluyla meydana geldiğini öne sürdü. Elektronların manyetik yeniden bağlanmasını hızlandıran fiziksel mekanizmalarını dikkate aldı ve kararlı durum elektron enerji dağılımı denklemini çözmek için kinetik teoriyi kullanarak parçacık hızlandırma çalışmalarının sonuçlarını birleştirdi. Jetlerin farklı bölgelerindeki elektronların enerji spektrumları ve sayı yoğunlukları elde edildi.

Bunları manyetik alan kuvveti, gaz plazma sıcaklığı ve hızı dahil olmak üzere sayısal birikim simülasyonlarının sonuçlarıyla birleştiren ekip, genel görelilik çerçevesinde radyasyon transferini hesaplayarak gerçek gözlemlerle karşılaştırılabilecek çeşitli tahmin edilen gözlemsel sonuçlar elde etti.

Sonuçlar, “kara delik dönme enerjisinin çıkarılması” modeliyle tahmin edilen jet morfolojisinin, jetlerin gözlemlenen morfolojisiyle çok iyi eşleştiğini ve bu modelin jetlerin “uzuvlarının parlatılması”, jet genişliği gibi diğer tahminlerinin çok iyi eşleştiğini gösterdi. , uzunluk ve hız alanı da gözlemlerle çok iyi eşleşti. Buna karşılık, “birikim diski dönme enerjisinin çıkarılması” modelinin tahminleri gözlemlerle tutarsızdı.

Ek olarak ekip, manyetik yeniden bağlanmanın fiziksel mekanizmasını da analiz etti ve mekanizmanın, M87 kara deliğinin birikim diskindeki manyetik alanlar tarafından üretilen “manyetik patlamalardan” kaynaklandığını buldu. Bu patlamalar manyetik alanda güçlü bozulmalara neden olabilir ve bu da uzun mesafelere yayılarak jetlerde manyetik yeniden bağlantıya yol açabilir.

Bu çalışma, jet oluşumunun dinamik modeli ile jetlerin çeşitli gözlemsel özellikleri arasındaki boşluğu dolduruyor ve bu iyi bilinen dinamik modelin, jetlerin enerji sorunlarını ele aldığına ve diğer çeşitli gözlemsel sonuçları açıkladığına dair ilk kanıtı sağlıyor.