Svarta hål är de mest spännande och häpnadsväckande naturens krafter. De är också en av de mest mystiska på grund av hur reglerna för konventionell fysik bryts ned i deras närvaro. Trots decennier av forskning och observationer finns det fortfarande mycket vi inte vet om dem. I själva verket, tills nyligen, astronomer hade aldrig sett en bild av svart hål och kunde inte kontrollera deras massa.
Emellertid meddelade ett team av fysiker från Moskva Institutet för fysik och teknik (MIPT) nyligen att de hade utformat ett sätt att indirekt mäta massan på ett svart hål och samtidigt bekräfta dess existens. I en ny studie visade de hur de testade denna metod på det nyligen avbildade supermassiva svarta hålet i mitten av Messier 87 aktiva galax.
Studien dök upp i augustiutgåvan av Månadsmeddelanden från Royal Astronomical Society. Förutom forskare från MIPT inkluderade teamet medlemmar från det nederländska baserade Joint Institute for VLBI ERIC (JIVE), Academia Sinica's Institute of Astronomy & Astrophysics i Taiwan och NOAJ: s Mizusawa VLBI-observatorium i Japan.
I decennier har astronomer visat att de flesta massiva galaxer har ett supermassivt svart hål (SMBH) i centrum. Närvaron av denna SMBH leder till en betydande mängd aktivitet i kärnan, där gas och damm faller in i en ackretionsskiva och accelererar till hastigheter som får dem att avge ljus, liksom radio, mikrovågsugn, röntgen och gamma- strålstrålning.
För vissa galaxer är mängden strålning som produceras av kärnregionen så ljus att den faktiskt övermäter ljuset som kommer från alla stjärnorna på disken tillsammans. Dessa är kända som Active Galactic Nuclei (AGN) galaxer eftersom de har aktiva kärnor och andra galaxer är relativt "tyst". En annan kännedom om att en galax är aktiv är de långa strålarna av överhettad materia som sträcker sig.
Dessa ”relativistiska strålar”, som kan sträcka sig över miljoner ljusår utåt, kallas därför att materialet i dem accelereras till en bråkdel av ljusets hastighet. Även om dessa jetplan ännu inte är helt förstås, är den nuvarande konsensus att de produceras av en viss ”motoreffekt” orsakad av en snabbt snurrande SMBH.
Ett bra exempel på en aktiv galax med en relativistisk jet är Messier 87 (alias Virgo A), en supergigantisk galax som ligger i riktning mot Virgo Constellation. Denna galax är den närmaste aktiva galaxen till jorden, och därför en av de bäst studerade. Ursprungligen upptäcktes 1781 av Charles Messier (som misstog den för en nebula), har den studerats regelbundet sedan dess. År 1918 blev dess optiska jet den första i sitt slag som observerades.
Tack vare dess närhet har astronomer kunnat studera Messier 87s jet noggrant - kartlägga dess struktur och plasmahastigheter och mäta temperaturer och partikeltätheter nära jetströmmen. Jetens gränser har studerats i detalj med att forskare upptäckte att den var homogen längs sin längd och ändrade form längre den sträckte sig (går från parabol till konisk).
Alla dessa observationer har gjort det möjligt för astronomer att testa hypoteser angående strukturen för aktiva galaxer och förhållandet mellan förändringar i jetens form och påverkan av det svarta hålet i den galaktiska kärnan. I detta fall utnyttjade det internationella forskarteamet detta förhållande och bestämde massan av M87: s SMBH.
Teamet förlitade sig också på teoretiska modeller som förutsäger ett jetbrott, vilket gjorde det möjligt för dem att skapa en modell där en SMBHs massa exakt skulle återge den observerade formen på M87s jet. Genom att mäta jetens bredd och avståndet mellan kärnan och formens brott, fann de också att M87s jetgräns består av två segment med två distinkta kurvor.
I slutändan gav kombinationen av teoretiska modeller, observationer och datorberäkningar teamet möjlighet att få en indirekt mätning av det svarta hålets massa och rotationshastighet. Denna studie tillhandahåller inte bara en ny modell för uppskattning av svart hål och ett nytt måttmedel för strålar utan bekräftar också de hypoteser som ligger till grund för strukturen hos jets
I huvudsak beskriver teamets resultat strålen som ett flöde av magnetiserad vätska, där formen bestäms av det elektromagnetiska fältet i den. Detta är i sin tur beroende saker som hastigheten och laddningen av strålpartiklarna, den elektriska strömmen i strålen och hastigheten med vilken SMBH förenar material från dess omgivande skiva.
Samspelet mellan alla dessa faktorer är vad som ger upphov till det observerade brottet i en jetform, som sedan kan användas för att extrapolera SMBH: s massa och hur snabbt den snurrar. Elena Nokhrina, biträdande chef för MIPT-laboratoriet som är involverat i studien och huvudförfattaren på gruppens papper, beskriver metoden som de utvecklade på följande sätt:
”Den nya oberoende metoden för uppskattning av svart hålmassa och spinn är det viktigaste resultatet av vårt arbete. Även om dess noggrannhet är jämförbar med existerande metoder, har den en fördel genom att den leder oss närmare slutmålet. Att förfina parametrarna för kärnmotorn för att fördjupa dess natur.
Tack vare tillgången på sofistikerade instrument för att studera SMBH: er (som Event Horizon Telescope) och nästa generations rymdteleskop som snart kommer att vara i drift tar det inte lång tid innan den nya modellen testas noggrant. En bra kandidat skulle vara Skytten A *, SMBH i mitten av vår galax som beräknas ligga mellan 3,5 miljoner 4,7 miljoner solmassor.
Förutom att placera mer exakta begränsningar på denna massa, kan framtida observationer också avgöra hur aktiv (eller inaktiv) kärnan i vår galax är. Dessa och andra mysterier i svart hål väntar!
