Jak świecą czarne dziury

Jak świecą czarne dziuryOriginal Press Release
Aktualny numer Science Express przedstawia wyniki badań prowadzonych za pomocą teleskopu Event Horizon Telescope będącego między innymi efektem kolaboracji, w której uczestniczył Avery Broderick z Instytutu Fizyki Teoretycznej PI.

„Wreszcie zaczynamy dostrzegać, że spin odgrywa ważną rolę w produkcji dżetów. Nie tylko możemy powiedzieć, że dżety mają początek w pobliżu czarnej dziury, ale dlatego, że rejon emisji jest tak mały, to dżet musi pochodzić z wirującej czarnej dziury. Czarna dziura jest tak naprawdę silnikiem napędzającym dżet

Avery Broderick
Perimeter Institute for Theoretical Physics

Wiele galaktyk, w tym Droga Mleczna, zawiera w jądrze ogromną czarną dziurę. Około 10 procent tych czarnych dziur emituje ogromne, potężne strumienie elektronów i innych cząstek subatomowych podróżujących z prędkością bliską prędkości światła. Te potężne dżety sięgają na odległość setek tysięcy lat świetlnych. Czasami są jaśniejsze od wszystkich razem wziętych gwiazd galaktyki macierzystej.

Jednak niewiele wiadomo na temat mechanizmów, jakie prowadzą do powstania dżetów. Zespół Event Horizon Telescope łącząc dane z trzech radioteleskopów, był w stanie po raz pierwszy wykonać zdjęcia podstawy takiego dżetu – miejsca jego narodzin.

Zespół koordynowany przez Shep Doeleman w Obserwatorium Haystack MIT, wykorzystał teleskop EHT (w rzeczywistości sieć trzech radioteleskopów rozmieszczonych na Ziemi na Hawajach, w Kalifornii i Arizonie). Przedmiotem ich badań był galaktyka M87, olbrzymia galaktyka eliptyczna leżąca niewiele ponad 50 milionów lat świetlnych od Ziemi. To blisko jak na galaktykę, ale zważywszy, że horyzont zdarzeń czarnej dziury ma rozmiary porównywalne z rozmiarami Układu Słonecznego – daleko. To tak, jakby teleskop mógł dostrzec ziarno maku z drugiego końca kontynentu. „Są to jedne z najwyższych rozdzielczości obserwacji jakie kiedykolwiek przeprowadzono w historii badań”- mówi Broderick.

Broderick podsumowuje problem jakim zajął się zespół -„Jeżeli chodzi o czarne dziury, to wszystko powinno w nich znikać, a jednak widzimy tu tak wiele materii wylatującej z ogromnymi energiami. Skąt pochodzi ta energia?”

Istnieją dwie możliwości. Pierwszą jest ta, że czarna dziura sama w sobie jest wielkim rezerwuarem energii – wirująca czarna dziura ma ogromną ilość energii rotacyjnej, z której mogą skorzystać dżety. Druga możliwość jest taka, że energia może pochodzić z jakiegoś procesu akrecji – dysk akrecyjny to pyłowa spirala materii odpadające na czarną dziurę a fizyki akrecji nie jest jeszcze dobrze poznana.

Na podstawie nowych danych teoretycy, tacy jak Broderick mogą zacząć badać oba modele zasilania dżetów. Wyniki nadal nie są jednoznaczne –  spływają piksel po pikselu – ale jak mówi Broderick: „wystarczają, by rozróżnić między matką i córką.” Dzięki obrazom, takim jak ten nad którymi pracuje zespół, możemy zacząć dochodzić do pochodzenia ultrarelatywistycznych dżetów.

„Pierwszą rzeczą, której dowiedzieliśmy się jest to, że region powstawania dżetu jest dość mały”- mówi Broderick. Dzety powstają blisko horyzontu zdarzeń czarnej dziury. Choć nie jest to zupełnie wystarczające, aby wykluczyć tezę, że dżety mogą być zasilane przez fizykę akrecji, jasne staje się, że energia pochodzi albo z samej czarnej dziury albo z procesów akrecyjnych zachodzących tuż obok czarnej dziury.

Źródła:

Peering to the Edge of a Black Hole

The current issue of Science Express, the online advance publication of the journal, features a paper by the Event Horizon telescope team – a collaboration which includes Perimeter Associate Faculty member Avery Broderick – that may shed light on the origin of the bright jets given off by some black holes. In a world first, the team has been able to look at a distant black hole and resolve the area where its jets are launched from. This is the first empirical evidence to support the connection between black hole spin and black hole jets that has been long suspected on theoretical grounds.

Many galaxies, including our own Milky Way, have a huge black hole lurking at their cores. In about 10 percent of such galaxies, the hole gives off huge, tight streams of electrons and other sub-atomic particles traveling at nearly the speed of light. These powerful jets can extend for hundreds of thousands of light years. They can be so bright that they outshine the rest of the galaxy combined.

And yet, little is known about how such jets are formed. The Event Horizon team, in their current paper, is working to find out more. By combining and comparing data from three radio telescopes, they are beginning to image the base of such a jet – its launchpad – for the first time.

The team, coordinated by Shep Doeleman at MIT's Haystack Observatory, used the Event Horizon telescope, which is actually a network of three radio telescopes spread out over the Earth. The subject of their study is M87, a giant elliptical galaxy just over 50 million light years from our own. That is close as galaxies go, but a long way away considering that the horizon of the black hole the team imaged is about the same size as a single solar system. It is as if the telescope could make out a poppy seed from across a continent or spot a softball on the moon. „These are some of the highest resolutions ever accessed in the history of science,” says Broderick.

Broderick sums up the problem the team tackled: „With black holes, stuff is supposed to go in, and yet here we see all this stuff coming out with huge energies. Where does that energy come from?”

There are two possibilities. The first is that a black hole itself is a great reservoir of energy – a spinning black hole has a huge amount of rotational energy that the jets might tap. The second possibility is that the energy might come from some accretion process – the accretion disk is the dusty spiral of stuff falling into the black hole and the physics of accretion is not yet well understood.

With the new data coming in from M87, theorists like Broderick can start to tell the difference between these models of hole-driven jets and accretion-driven jets. The image is not yet sharp – it is trickling in pixel by pixel – but that, says Broderick, „is enough to tell the difference between your mother and your daughter.” With images like the one the team is working on, we can begin to narrow in on the origin of ultrarelativistic jets.

„The first thing we learned is that the launching region is quite small,” says Broderick. The jets are coming from quite close to the black hole's event horizon: the point of no return where even the light from objects tumbling into the black hole is lost. While this is not quite enough to rule out the idea that jets might be powered by accretion physics, it is clear that energy is coming either from the black hole or from the accretion processes happening right next to the black hole.

„We are now beginning to see that spin is playing a role in jet production,” says Broderick. „That is, not only can we say that the jets originate near the black hole, but because the emission region is so small, it must be coming from a rotating black hole.”

„The black hole is really the engine that drives the jet,” he adds. „It's an extraordinary thing.”

Written by admin

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *