Czarne dziury to jedna z najbardziej intrygujących i budzących podziw sił natury. Są również jedną z najbardziej tajemniczych ze względu na sposób, w jaki reguły konwencjonalnej fizyki psują się w ich obecności. Pomimo dziesięcioleci badań i obserwacji wciąż wiele o nich nie wiemy. W rzeczywistości do niedawna astronomowie nigdy nie widzieli obrazu czarnej dziury i nie byli w stanie zmierzyć swojej masy.
Jednak zespół fizyków z Moskiewskiego Instytutu Fizyki i Technologii (MIPT) niedawno ogłosił, że opracowali sposób pośredniego pomiaru masy czarnej dziury, jednocześnie potwierdzając jej istnienie. W ostatnich badaniach wykazali, w jaki sposób przetestowali tę metodę na niedawno obrazowanej supermasywnej czarnej dziurze w centrum aktywnej galaktyki Messier 87.
Badanie pojawiło się w sierpniowym numerze Miesięczne zawiadomienia Royal Astronomical Society. Oprócz naukowców z MIPT w skład zespołu wchodzili członkowie holenderskiego Joint Institute for VLBI ERIC (JIVE), Academia Sinica's Institute of Astronomy & Astrophysics na Tajwanie oraz obserwatorium Mizusawa VLBI w Japonii.
Przez dziesięciolecia astronomowie wiedzieli, że większość masywnych galaktyk ma supermasywną czarną dziurę (SMBH) w centrum. Obecność tego SMBH prowadzi do znacznej aktywności w rdzeniu, gdzie gaz i pył wpadają do dysku akrecyjnego i przyspieszają do prędkości, które powodują, że emitują one światło, a także radio, mikrofalę, promieniowanie rentgenowskie i promieniowanie gamma promieniowanie promieniujące.
W przypadku niektórych galaktyk ilość promieniowania wytwarzanego przez obszar rdzenia jest tak jasna, że faktycznie przytłacza światło pochodzące od wszystkich gwiazd na dysku łącznie. Są one znane jako galaktyki aktywnych galaktycznych jąder (AGN), ponieważ mają aktywne rdzenie, a inne galaktyki są stosunkowo „ciche”. Innym charakterystycznym identyfikatorem, że galaktyka jest aktywna, są długie wiązki przegrzanej materii, które rozciągają się.
Te „relatywistyczne strumienie”, które mogą rozciągać się na miliony lat świetlnych na zewnątrz, są tak zwane, ponieważ materiał w nich przyspieszany do ułamka prędkości światła. Chociaż dżety te nie są jeszcze w pełni zrozumiałe, obecny konsensus jest taki, że są one wytwarzane przez pewien „efekt motoryczny” wywołany przez szybko wirującą SMBH.
Dobrym przykładem aktywnej galaktyki z relatywistycznym strumieniem jest Messier 87 (alias. Panna A), galaktyka nadolbrzyma zlokalizowana w kierunku gwiazdozbioru Panny. Galaktyka ta jest najbliżej Ziemi aktywną galaktyką, a zatem jedną z najlepiej zbadanych. Pierwotnie odkryty w 1781 roku przez Charlesa Messiera (który wziął go za mgławicę), od tego czasu był regularnie badany. Do 1918 r. Jego strumień optyczny stał się pierwszym tego rodzaju obserwowanym.
Dzięki jego bliskości astronomowie byli w stanie dokładnie zbadać strumień Messiera 87 - mapując jego strukturę i prędkości plazmy oraz mierząc temperatury i gęstości cząstek w pobliżu strumienia strumienia. Granice odrzutowca zostały dokładnie zbadane, aby odkryć, że był on jednorodny na całej długości i zmienił kształt wraz z jego przedłużeniem (od parabolicznego do stożkowego).
Wszystkie te obserwacje pozwoliły astronomom przetestować hipotezy dotyczące struktury aktywnych galaktyk i związku między zmianami kształtu strumienia a wpływem czarnej dziury w jądrze galaktycznym. W tym przypadku międzynarodowy zespół badawczy wykorzystał tę relację i ustalił masę M87s SMBH.
Zespół polegał również na modelach teoretycznych, które przewidują pęknięcie odrzutowca, co pozwoliło im stworzyć model, w którym masa SMBH dokładnie odtworzyłaby obserwowany kształt odrzutowca M87. Mierząc szerokość strumienia i odległość między rdzeniem a pęknięciem jego kształtu, odkryli również, że granica strumienia M87 składa się z dwóch segmentów z dwoma charakterystycznymi krzywymi.
Ostatecznie połączenie modeli teoretycznych, obserwacji i obliczeń komputerowych pozwoliło zespołowi uzyskać pośredni pomiar masy i prędkości wirowania czarnej dziury. To badanie nie tylko zapewnia nowy model szacowania czarnej dziury i nowy sposób pomiaru dżetów, ale także potwierdza hipotezy leżące u podstaw struktury dżetów
Zasadniczo wyniki zespołu opisują strumień jako przepływ namagnesowanego płynu, którego kształt jest determinowany przez pole elektromagnetyczne w nim. To z kolei zależy od takich rzeczy, jak prędkość i ładunek cząstek strumienia, prąd elektryczny w strumieniu oraz szybkość, z jaką SMBH wydobywa materię z otaczającego dysku.
Wzajemne oddziaływanie między tymi wszystkimi czynnikami powoduje obserwowane pęknięcie kształtu odrzutowca, którego można następnie użyć do ekstrapolacji masy SMBH i prędkości wirowania. Elena Nokhrina, zastępca kierownika laboratorium MIPT zaangażowana w badanie i główna autorka w pracy zespołu, opisuje metodę, którą opracowali w następujący sposób:
„Nowa niezależna metoda szacowania masy i spinu czarnej dziury jest kluczowym rezultatem naszej pracy. Chociaż jego dokładność jest porównywalna z obecnymi metodami, ma tę zaletę, że przybliża nas do celu końcowego. Mianowicie, udoskonalenie parametrów rdzenia „silnika” w celu głębszego zrozumienia jego natury ”.
Dzięki dostępności wyrafinowanych instrumentów do badania SMBH (takich jak Event Horizon Telescope) i teleskopów kosmicznych nowej generacji, które wkrótce będą działać, nie zajmie to długo, aby ten nowy model został gruntownie przetestowany. Dobrym kandydatem byłby Strzelec A *, SMBH w centrum naszej galaktyki, którego wartość szacuje się na 3,5 miliona 4,7 miliona mas Słońca.
Oprócz nałożenia dokładniejszych ograniczeń na tę masę, przyszłe obserwacje mogłyby również określić, jak aktywne (lub nieaktywne) jest jądro naszej galaktyki. Te i inne tajemnice czarnej dziury czekają!
