Sorte hull er de mest spennende og imponerende naturkreftene. De er også en av de mest mystiske på grunn av hvordan reglene for konvensjonell fysikk brytes sammen i deres nærvær. Til tross for flere tiår med forskning og observasjoner er det fremdeles mye vi ikke vet om dem. Inntil nylig hadde astronomer aldri sett et bilde av svart hull og klarte ikke å måle massen deres.
Imidlertid kunngjorde et team av fysikere fra Moskva instituttet for fysikk og teknologi (MIPT) nylig at de hadde tenkt ut en måte å indirekte måle massen på et svart hull mens de også bekreftet eksistensen. I en fersk studie viste de hvordan de testet denne metoden på det nylig avbildede supermassive sorte hullet i sentrum av Messier 87 aktive galakse.
Studien dukket opp i augustutgaven av Månedlige merknader fra Royal Astronomical Society. I tillegg til forskere fra MIPT, inkluderte teamet medlemmer fra det Nederland-baserte Joint Institute for VLBI ERIC (JIVE), Academia Sinica’s Institute of Astronomy & Astrophysics i Taiwan, og NOAJs Mizusawa VLBI Observatory i Japan.
I flere tiår har astronomer visst at de fleste massive galakser har et supermassivt svart hull (SMBH) i sentrum. Tilstedeværelsen av denne SMBH fører til en betydelig mengde aktivitet i kjernen, der gass og støv faller ned i en akkresjonsskive og akselererer til hastigheter som får dem til å avgi lys, så vel som radio, mikrobølgeovn, røntgen og gamma- stråling.
For noen galakser er mengden stråling produsert av kjerneområdet så lys at den faktisk styrker lyset som kommer fra alle stjernene på disken samlet. Disse er kjent som Active Galactic Nuclei (AGN) galakser siden de har aktive kjerner og andre galakser er relativt “stille”. En annen åpenbar identifisering av at en galakse er aktiv er de lange bjelkene med overopphetet materie som strekker seg.
Disse “relativistiske jetflyene”, som kan strekke seg i millioner av lysår utover, er såkalt fordi materialet i dem er akselerert til en brøkdel av lysets hastighet. Selv om disse jetflyene ikke er helt klarlagt ennå, er den nåværende konsensus at de er produsert av en viss "motorisk effekt" forårsaket av en raskt spinnende SMBH.
Et godt eksempel på en aktiv galakse med en relativistisk jet er Messier 87 (alias Virgo A), en supergigantisk galakse som ligger i retning av Jomfruens konstellasjon. Denne galaksen er den nærmeste aktive galaksen til Jorden, og derfor en av de best studerte. Opprinnelig oppdaget i 1781 av Charles Messier (som tok feil av en tåke), og har blitt studert regelmessig siden den gang. I 1918 ble den optiske strålen den første av sitt slag som ble observert.
Takket være nærheten er astronomer i stand til å studere Messier 87s jet nøye - kartlegge dens struktur og plasmahastigheter og måle temperaturer og partikeltettheter nær jetstrømmen. Jetens grenser er studert i detalj at forskere oppdaget at den var homogen langs dens lengde og endret form jo lenger den forlenget (går fra parabol til konisk).
Alle disse observasjonene har gjort det mulig for astronomer å teste hypoteser angående strukturen til aktive galakser og forholdet mellom endringer i jetens form og påvirkning av det svarte hullet i den galaktiske kjernen. I dette tilfellet utnyttet det internasjonale forskerteamet dette forholdet og bestemte massen til M87s SMBH.
Teamet stolte også på teoretiske modeller som spår et jet-brudd, som gjorde det mulig for dem å lage en modell der en SMBH-masse nøyaktig ville gjengi den observerte formen til M87s jet. Ved å måle jetens bredde og avstanden mellom kjernen og bruddet på formen, fant de også at M87s jetgrense består av to segmenter med to karakteristiske kurver.
Til slutt tillot kombinasjonen av teoretiske modeller, observasjoner og datamaskinberegninger teamet å få en indirekte måling av det sorte hullets masse og spinnhastighet. Denne studien gir ikke bare en ny modell for estimering av svart hull og et nytt måleinstrument for jetfly, men bekrefter også hypotesene bak strukturen til jetfly.
I hovedsak beskriver teamets resultater strålen som en strøm av magnetisert væske, der formen bestemmes av det elektromagnetiske feltet i den. Dette er i sin tur avhengige ting som hastigheten og ladningen til jetpartiklene, den elektriske strømmen i strålen og hastigheten som SMBH samler materien på fra den omkringliggende disken.
Samspillet mellom alle disse faktorene er det som gir opphav til det observerte bruddet i en jetform, som deretter kan brukes til å ekstrapolere SMBHs-massen og hvor raskt den snurres. Elena Nokhrina, nestleder for MIPT-laboratoriet som er involvert i studien og hovedforfatter på teamets papir, beskriver metoden som de utviklet på følgende måte:
“Den nye uavhengige metoden for estimering av svart hullmasse og spinn er nøkkelresultatet av vårt arbeid. Selv om dens nøyaktighet er sammenlignbar med de eksisterende metodene, har den en fordel ved at den bringer oss nærmere sluttmålet. Nemlig å avgrense parametrene til kjernen ‘motor’ for å dypere forstå dens natur. »
Takket være tilgjengeligheten av sofistikerte instrumenter for å studere SMBH-er (som Event Horizon Telescope) og neste generasjons romteleskop som snart vil være i drift, vil det ikke ta lang tid før denne nye modellen blir grundig testet. En god kandidat ville være Skytten A *, SMBH i sentrum av vår galakse som anslås å være mellom 3,5 millioner 4,7 millioner solmasser.
I tillegg til å plassere mer nøyaktige begrensninger på denne massen, kan fremtidige observasjoner også bestemme hvor aktiv (eller inaktiv) kjernen i galaksen vår er. Disse og andre svart hull mysterier venter!
