M87:s föregående jet avslöjar det svarta hålets snabba snurr – Physics World

M87:s föregående jet avslöjar det svarta hålets snabba snurr – Physics World

Tidsstämpel: 6 oktober 2023 9:00

Konstnärens intryck av det svarta hålet i mitten av M87
Tilted accretion disc modell Konstnärens intryck av det svarta hålet i mitten av M87, som visar hur ackretionsskivan och strålen är felinriktade med det svarta hålets rotationsaxel. (Med tillstånd: Yuzhu Cui et al. (2023), Intouchable Lab@Openverse och Zhejiang Lab)

Den relativistiska jetstrålen som kommer från det svarta hålet i hjärtat av galaxen Messier 87 (M87) vinglar när den dras runt av det snurrande svarta hålet, har nya radioobservationer funnit. Detta är det första direkta beviset på att kraftfulla jetstrålar från aktiva galaxer drivs av svarta hål som roterar snabbt, inte långsamt.

M87 är den jättelika elliptiska galaxen som finns i hjärtat av Virgo-galaxhopen, 55 miljoner ljusår bort. Det är känt för att vara hem till det första supermassiva svarta hålet som har sin "skugga" avbildad av Event Horizon Telescope, redan 2019. M87 producerar också en kraftfull stråle av laddade partiklar som sträcker sig minst 5000 ljusår från det svarta hålet. Denna jet är så stor och ljusstark att den till och med syns på bilder tagna av amatörastronomer med trädgårdsutrustning.

Även om M87 var den första galaxen som hittade en relativistisk jet för över ett sekel sedan, är tusentals galaxer och kvasarer nu kända för att ha jetstrålar. Materialet i sådana jetstrålar muddras upp av magnetfält från en ackretionsskiva av material som spiralerar runt det svarta hålet. Teorin hävdade att energin för strålen utvinns från det svarta hålets rotationsenergi.

Nu, ett internationellt team av astronomer – ledd av Yuzhu Cui från Zhejiang Laboratory i Hangzhou, Kina, och Kazuhiro Hada vid Japans Graduate University for Advanced Studies och National Astronomical Observatory of Japan – har gjort de första observationerna som direkt stöder denna teori och publicerade resultaten i Natur.

"En av de viktigaste implikationerna från denna studie är att ett snurrande svart hål är avgörande för att generera en kraftfull relativistisk jet som ses i M87 och andra radiogalaxer eller kvasarer," säger Hada Fysikvärlden.

"Om resultatet bekräftas skulle det verkligen vara ett stort steg i vår förståelse av jetplan", tillägger Yannis Liodakis vid Åbo universitet i Finland, som inte var inblandad i studien. År 2022 var Liodakis huvudförfattare till en papper i Natur som hittade stötfronter och turbulens i M87:s jet.

Snurra

Kombinerar 17 års radioastronomiobservationer från Östasiatiskt VLBI-nätverk (EAVN), den Mycket lång baslinjeuppsättning (VLBA), den gemensamma arrayen av KVN och VERA (KaVA) Och Östasien till Italien nästan globalt (EATING) VLBI-nätverk, som uppgår till mer än 20 radioteleskop totalt, upptäckte Hada och teamet att M87:s jet är på väg.

Tänk på en snurra, och hur dess rotationsaxel verkar vandra runt i en cirkel. Strålen i M87 är vinkelrät mot accretionsskivan, men både jet och skiva är felinriktade med avseende på det svarta hålets rotationsaxel. När det svarta hålet snurrar drar det rum-tiden med sig – en effekt som kallas "frame-dragging". När den gör det, drar den ackretionsskivan runt, vilket gör att den riktning som strålen utanför axeln pekar försjunker, eller vinglar, med cirka 10 grader med en period på cirka 11 år.

1973, ställde fysikern John Wheeler berömt sitt no-hair-teorem – att ett svart hål helt kan karakteriseras av bara tre parametrar: dess massa, dess elektriska laddning och dess rörelsemängd (”håret” är en metafor för allt annat – all annan information kommer in i det svarta hålet och blir otillgänglig). Massan av M87:s supermassiva svarta hål är cirka 6.5 ​​miljarder gånger vår sols massa, och dess elektriska laddning anses vara försumbar. Men trots denna mätning av strålens precession när den dras runt av det snurrande svarta hålet, är det ännu inte möjligt att definiera en hastighet för det snurret.

Svart håls spinnhastighet

Man kan dock anta att svarta hål med kraftfulla jetstrålar kommer att ha snabba snurr, medan svarta hål utan jets tenderar att snurra långsammare.

"Jetprecessionsperioden beror på både det svarta hålets spinn och storleken på ackretionsskivan", säger Hada. Tyvärr är storleken på M87:s skiva inte välkänd. I sin teoretiska modellering antog teamet 40 rotationer per år, men det är bara en möjlig lösning – olika spinnvärden med olika skivstorlekar skulle också kunna förklara graden av precession.

"Icke desto mindre är det mycket troligt att det svarta hålets rotationstidsskala är mycket kortare än den för jet- och skivprecessionen", säger Hada. "Att mäta värdet av detta snurr är exakt vårt nästa steg att gå. Förhoppningsvis kommer detta att vara möjligt genom att kombinera vår jetövervakning och en svart hålsfilm från Event Horizon Telescope.”

Liodakis påpekar hur viktigt det är att veta att snabbt snurrande svarta hål driver jetstrålar, eftersom det kommer att hjälpa astronomer att begränsa storleken på ansamlingsskivan i mitten av en galax som M87, och sammansättningen av sådana jetstrålar.

"Det är inget oväntat resultat", säger Liodakis. "Men det är verkligen fantastiskt att få direkt bekräftelse."

Tidsstämpel:

Mer från Fysikvärlden