Astrofysici van Princeton ontrafelen het mysterie van straaljagers van zwarte gaten en galactische 'lichtzwaarden'

Een team van astrofysici van de Universiteit van Princeton heeft onomstotelijk kunnen vaststellen dat de energie daar dichtbij ligt Zwart gat M87* duwt naar buiten, niet naar binnen, wat een al lang bestaand debat binnen dit veld is.

Het enige dat iedereen weet over zwarte gaten is dat alles wat zich dichtbij bevindt erin wordt gezogen.

nauwelijks Alles, zo blijkt.

Elliot Quataert, astrofysicus en Charles A. Jonge hoogleraar astronomie aan de Princeton University: “Hoewel zwarte gaten bekend staan ​​als objecten waaraan niets kan ontsnappen, is een van de verrassende voorspellingen van Einsteins relativiteitstheorie dat zwarte gaten daadwerkelijk energie kunnen verliezen.” Batch van de Foundation uit 1897. “Het kan draaien, en net zoals een tol in de loop van de tijd langzamer gaat werken en die energie verliest terwijl hij draait, kan een roterend zwart gat ook energie verliezen aan zijn omgeving.”

Dit model wordt sinds de jaren zeventig algemeen aanvaard door wetenschappers. Ze wisten dat magnetische velden energie uit roterende zwarte gaten zouden kunnen halen, maar ze wisten niet hoe.

Een team van astrofysici van de Universiteit van Princeton heeft onomstotelijk vastgesteld dat de energie nabij de waarnemingshorizon van het zwarte gat M87* naar buiten stroomt, en niet naar binnen. (M87 is de naam van het sterrenstelsel, Messier 87, dus het zwarte gat in het centrum heet M87*.) Quatert zei dat de onderzoekers ook een manier bedachten om de voorspelling te testen dat zwarte gaten rotatie-energie verliezen, en om te bewijzen dat dit zo is. energie die de ‘ongelooflijk krachtige uitstroom’ produceert, die we zien en die we jets noemen.

Een animatie die laat zien hoe het magnetische veld dat de waarnemingshorizon van het zwarte gat doorkruist, verdraait naarmate het zwarte gat sneller draait. Een sneller ronddraaiend zwart gat laat het magnetische veld sneller draaien, waardoor het zwarte gat meer energie verliest aan zijn omgeving. Een team van astrofysici van de Princeton University observeerde magnetische veldlijnen in beelden van de Event Horizon Telescope van lineaire polarisatie van zwarte gaten. Krediet: video door George Wong, Institute for Advanced Study Princeton Universiteit

Deze stralen van energiestromen zijn “in principe als een miljoen-Lichtjaar“Lange lichtzwaarden kunnen tien keer langer uitstrekken dan een Jedi-lichtzwaard”, zegt Alexandru Lobsaska, een voormalig postdoctoraal onderzoeker aan de Princeton University. Melkweg heelal.

De resultaten van hun werk zijn onlangs gepubliceerd in de Astrofysisch tijdschrift. Andrew Chell, onderzoeksmedewerker in de astrofysica, is de eerste auteur van dit artikel. Hij en co-auteur George Wong zijn beiden lid van Gebeurtenishorizon telescoop Ze speelden een cruciale rol bij de ontwikkeling van de modellen die worden gebruikt om zwarte gaten te verklaren. Chael, Wong, Lobsaska en Quataert zijn allemaal theoretici aangesloten Princeton Gravity-initiatief.

Het team heeft Schell het essentiële inzicht toegeschreven dat de kern vormt van het nieuwe artikel: dat de richting waarin magnetische veldlijnen stijgen de richting van de energiestroom onthult. Vanaf dat moment “viel de rest op zijn plaats”, zei Quataert.

Het zwarte gat M87* (het sterrenbeeld van het zwarte gat in het centrum van het sterrenstelsel M87) trok de aandacht van de wereld toen het voor het eerst werd ontdekt door de Event Horizon Telescope. Sindsdien hebben astrofysici van de Princeton University ontdekt dat het draaiende magnetische veld rond het zwarte gat de polarisatievortex bepaalt die wordt waargenomen in afbeeldingen van het zwarte gat. Met name de richting van de energiestroom (van gat naar veld of andersom) bepaalt hoe de polarisatie wordt omwikkeld. Door de richting te meten waarin de polarisatie draait, kan men afleiden of het magnetische veld spin-energie uit het gat haalt of er spin-energie in injecteert. Bron afbeelding: Model door Andrew Chell, George Wong, Alexandru Lobsaska en Elliot Quataert, Princeton Gravity Initiative

“Als je de aarde zou nemen en alles in TNT zou veranderen en haar gedurende miljoenen en miljoenen jaren duizend keer per seconde zou opblazen, dan is dat de hoeveelheid energie die we uit M87 zouden halen”, zegt Wong, een onderzoeksmedewerker aan de Harvard Universiteit. . Princeton Gravity Initiative en lid van het Institute for Advanced Study.

Wetenschappers weten al tientallen jaren dat wanneer een zwart gat begint te draaien, het het weefsel van de ruimte-tijd met zich meetrekt. Er wordt getrokken aan de magnetische veldlijnen die door het zwarte gat gaan, waardoor de rotatie wordt vertraagd en er energie vrijkomt.

“Onze nieuwe, scherpe voorspelling is dat wanneer je naar een astrofysisch zwart gat kijkt en er magnetische veldlijnen aan verbonden zijn, er energieoverdracht zal plaatsvinden – echt waanzinnige hoeveelheden energieoverdracht”, zegt Lobsaska, een voormalig onderzoeksmedewerker aan de UCLA. . Princeton en is nu assistent-professor natuurkunde en wiskunde aan de Vanderbilt University, waarvoor hij een prijs won Prijs voor New Frontiers in Physics 2024 Van de Foundation Breakthrough Award voor zijn onderzoek naar zwarte gaten.

Hoewel de energiestroom nabij de waarnemingshorizon van M87* naar buiten gericht is, zegt het team dat de energiestroom theoretisch naar binnen, in een ander zwart gat, gericht zou kunnen zijn. Ze hebben vertrouwen in hun verband tussen de energiestroom en de richting van de magnetische veldlijnen, en hun voorspelling dat de energiestroom uit het zwarte gat komt, zal worden getest met de lancering van de ‘nog steeds theoretische’volgende generatie“Event Horizon-telescoop.

De afgelopen anderhalf jaar hebben zwarte gatonderzoekers over de hele wereld specificaties voor het toekomstige instrument voorgesteld, zei Wong. “Onderzoekspapieren zoals die van ons kunnen een cruciale rol spelen bij het bepalen van wat we nodig hebben. Ik denk dat dit een heel spannende tijd is.”

De vier onderzoekers benadrukten in hun artikel dat ze niet overtuigend hebben aangetoond dat de rotatie van het zwarte gat 'eigenlijk extragalactische jets aandrijft', hoewel het bewijsmateriaal zeker in die richting neigt. Hoewel de door hun model getoonde vermogensniveaus consistent zijn met wat vliegtuigen nodig hebben, kunnen ze de mogelijkheid niet uitsluiten dat het vliegtuig wordt aangedreven door een spin. plasma Buiten het zwarte gat. “Ik denk dat het zeer waarschijnlijk is dat het zwarte gat de krachtbron voor het vliegtuig is, maar dat kunnen we niet bewijzen,” zei Lobsaška. “Tot nu.”

Referentie: “Meting van polarisatie van zwarte gaten I. Handtekening van elektromagnetische energie-extractie” door Andrew Chell, Alexandru Lobsaska en George N. Wong, Elliot Quataert, 14 november 2023, Astrofysisch tijdschrift.
doi: 10.3847/1538-4357/acf92d

Dit onderzoek werd ondersteund door het Princeton Gravity Initiative, een Taplin Fellowship, de National Science Foundation (Grant No. 2307888) en een Simons Foundation Investigator Award.