Astrophysiker aus Princeton lüften das Geheimnis der Jets von Schwarzen Löchern und galaktischen „Lichtschwertern“

Ein Team von Astrophysikern der Princeton University konnte schlüssig feststellen, dass die Energie nahe daran liegt schwarzes Loch M87* drängt nach außen, nicht nach innen, was in diesem Bereich seit langem eine Debatte ist.

Das Einzige, was jeder über Schwarze Löcher weiß, ist, dass alles, was sich in ihrer Nähe befindet, von ihnen angesaugt wird.

kaum Alles, wie sich herausstellt.

Elliot Quataert, Astrophysiker und Charles A. Junger Professor für Astronomie an der Princeton University: „Obwohl Schwarze Löcher als Objekte bekannt sind, denen nichts entkommen kann, ist eine der verblüffenden Vorhersagen von Einsteins Relativitätstheorie, dass Schwarze Löcher tatsächlich Energie verlieren können.“ Charge von der 1897 Foundation. „Es kann sich drehen, und so wie ein Kreisel mit der Zeit langsamer wird und diese Energie verliert, während er sich dreht, kann auch ein rotierendes Schwarzes Loch Energie an seine Umgebung verlieren.“

Dieses Modell wird seit den 1970er Jahren von Wissenschaftlern weitgehend akzeptiert. Sie wussten, dass Magnetfelder rotierenden Schwarzen Löchern Energie entziehen könnten, aber sie wussten nicht wie.

Ein Team von Astrophysikern der Princeton University hat schlüssig festgestellt, dass die Energie in der Nähe des Ereignishorizonts des Schwarzen Lochs M87* nach außen und nicht nach innen strömt. (M87 ist der Name der Galaxie, Messier 87, daher heißt das Schwarze Loch in ihrem Zentrum M87*.) Quatert sagte, die Forscher hätten auch eine Möglichkeit gefunden, die Vorhersage zu testen, dass Schwarze Löcher Rotationsenergie verlieren, und zu beweisen, dass dies der Fall sei Energie, die die „unglaublich starken Ausflüsse“ erzeugt, die wir sehen und die wir Jets nennen.“

Eine Animation, die zeigt, wie das Magnetfeld, das den Ereignishorizont des Schwarzen Lochs durchquert, verdreht wird, wenn sich das Schwarze Loch schneller dreht. Ein schneller rotierendes Schwarzes Loch dreht das Magnetfeld schneller, wodurch das Schwarze Loch mehr Energie an seine Umgebung verliert. Ein Team von Astrophysikern der Princeton University beobachtete in Bildern des Event Horizon Telescope gewundene magnetische Feldlinien der linearen Polarisation von Schwarzen Löchern. Bildnachweis: Video von George Wong, Institute for Advanced Study Princeton Universität

Diese Energieströme sind „im Grunde wie eine Million-“Lichtjahr„Lange Lichtschwerter können zehnmal länger sein als ein Jedi-Lichtschwert“, sagt Alexandru Lobsaska, ein ehemaliger Postdoktorand an der Princeton University. Milchstraße Galaxis.

Die Ergebnisse ihrer Arbeit wurden kürzlich in veröffentlicht Die Astrophysikalisches Journal. Andrew Chell, ein wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Astrophysik, ist der Erstautor dieser Arbeit. Er und Co-Autor George Wong sind beide Mitglieder von Ereignishorizont-Teleskop Sie spielten eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung der Modelle zur Erklärung von Schwarzen Löchern. Chael, Wong, Lobsaska und Quataert sind allesamt verbundene Theoretiker Princeton Gravity Initiative.

Das Team schrieb Schell die entscheidende Erkenntnis zu, die dem neuen Papier zugrunde liegt: dass die Richtung, in der magnetische Feldlinien ansteigen, die Richtung des Energieflusses verrät. Von da an „fügte sich der Rest zusammen“, sagte Quataert.

Das Schwarze Loch M87* (das Sternzeichen des Schwarzen Lochs im Zentrum der Galaxie M87) erregte die Aufmerksamkeit der Welt, als es erstmals vom Event Horizon Telescope entdeckt wurde. Seitdem haben Astrophysiker der Princeton University herausgefunden, dass das verdrehte Magnetfeld um das Schwarze Loch den auf Bildern des Schwarzen Lochs beobachteten Polarisationswirbel bestimmt. Insbesondere die Richtung des Energieflusses (vom Loch zum Feld oder umgekehrt) bestimmt, wie die Polarisation gewickelt wird. Durch die Messung der Richtung, in der sich die Polarisation dreht, kann man ableiten, ob das Magnetfeld dem Loch Spinenergie entzieht oder Spinenergie in das Loch injiziert. Bildquelle: Modell von Andrew Chell, George Wong, Alexandru Lobsaska und Elliot Quataert, Princeton Gravity Initiative

„Wenn man die Erde nehmen und alles in TNT umwandeln und es Millionen und Abermillionen Jahre lang 1.000 Mal pro Sekunde in die Luft sprengen würde, wäre das die Energiemenge, die wir aus M87 herausholen würden“, sagte Wong, ein wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Harvard University . Princeton Gravity Initiative und Mitglied des Institute for Advanced Study.

Wissenschaftler wissen seit Jahrzehnten, dass ein Schwarzes Loch, wenn es sich zu drehen beginnt, das Gefüge der Raumzeit mit sich zieht. Die durch das Schwarze Loch verlaufenden Magnetfeldlinien werden angezogen, verlangsamen die Rotation und setzen Energie frei.

„Unsere neue, klare Vorhersage ist, dass es immer dann zu einem Energietransfer kommt, wenn man ein astrophysikalisches Schwarzes Loch betrachtet und daran magnetische Feldlinien haben – wirklich verrückte Mengen an Energietransfer“, sagte Lobsaska, ein ehemaliger wissenschaftlicher Mitarbeiter an der UCLA . Princeton und ist heute Assistenzprofessor für Physik und Mathematik an der Vanderbilt University, wofür er einen Preis gewann 2024 New Frontiers in Physics-Preis Vom Foundation Breakthrough Award für seine Forschung zu Schwarzen Löchern.

Während der Energiefluss in der Nähe des Ereignishorizonts von M87* nach außen gerichtet ist, sagte das Team, dass der Energiefluss theoretisch nach innen in ein anderes Schwarzes Loch gerichtet sein könnte. Sie sind von ihrem Zusammenhang zwischen dem Energiefluss und der Richtung der Magnetfeldlinien überzeugt und ihre Vorhersage, dass der Energiefluss vom Schwarzen Loch kommt, wird mit dem Start des „noch theoretischen“ Experiments überprüft.nächste Generation„Event Horizon Telescope.

Seit anderthalb Jahren schlagen Forscher von Schwarzen Löchern auf der ganzen Welt Spezifikationen für das zukünftige Instrument vor, sagte Wong. „Forschungsarbeiten wie unsere können eine entscheidende Rolle dabei spielen, herauszufinden, was wir brauchen. Ich denke, dies ist eine sehr aufregende Zeit.“

Die vier Forscher betonten in ihrer Arbeit, dass sie nicht schlüssig gezeigt haben, dass die Rotation des Schwarzen Lochs „tatsächlich extragalaktische Jets antreibt“, obwohl die Beweise sicherlich in diese Richtung tendieren. Obwohl die von ihrem Modell angezeigten Leistungsstufen mit den Anforderungen des Flugzeugs übereinstimmen, können sie die Möglichkeit nicht ausschließen, dass das Flugzeug durch eine Drehung angetrieben wird. Plasma Außerhalb des Schwarzen Lochs. „Ich halte es für sehr wahrscheinlich, dass das Schwarze Loch die Energiequelle für das Flugzeug ist, aber wir können das nicht beweisen“, sagte Lobsaška. „bis jetzt.“

Referenz: „Measuring Black Hole Polarization I. Signature of Electromagnetic Energy Extraction“ von Andrew Chell, Alexandru Lobsaska, George N. Wong und Elliot Quataert, 14. November 2023, Astrophysikalisches Journal.
doi: 10.3847/1538-4357/acf92d

Die Forschung wurde von der Princeton Gravity Initiative, einem Taplin Fellowship, der National Science Foundation (Grant Nr. 2307888) und einem Simons Foundation Investigator Award unterstützt.