Czarne dziury to niezwykłe ciała niebieskie, na których grawitacja tak jest potężna, że z horyzontu zdarzeń czarnej dziury nie może uciec nawet światło. Jednak obserwacje wykazały, że tuż ponad horyzontem zdarzeń czarna dziura może emitować potężne wypływy materii i energii – zwane dżetami – z prędkościami bliskimi prędkości światła. Co więcej, zdjęcia teleskopowe uchwyciły dżety strzelające prosto na zewnątrz, podobnie jak promienie laserowe, przy czym długość niektórych dżetów przekracza skalę galaktyk.
Od czasu odkrycia dżetów wielu uczonych, w tym laureat Nagrody Nobla Sir Roger Penrose, badało powstawanie tych zagadkowych zjawisk. Obecnie dwa główne modele próbują wyjaśnić powstawanie dżetów: „Model dżetu BZ”, nazwany na cześć badaczy Blandforda i Znajka, a obecnie jest to najbardziej wpływowy model, zakłada, że dżet powstaje w wyniku pozyskiwania energii ruchu obrotowego czarnej dziury za pomocą pola magnetycznego, którego linie są połączone z horyzontem zdarzeń czarnej dziury. Natomiast drugi model zakłada, że dżet powstaje w wyniku pobrania energii rotacyjnej z dysku akrecyjnego wokół czarnej dziury. Ten dysk to zjonizowany gaz, krążący wokół czarnej dziury ze względu na jej silną grawitację. Drugi model można określić jako „model BP-jet”.
Chociaż model strumienia BZ był już używany przez innych badaczy do symulacji relatywistycznych, kolimowanych wypływów – w rzeczywistości dżetów – nie było jasne, czy model strumienia BZ może wyjaśnić obserwowaną morfologię rzeczywistego strumienia, w tym jego wydłużoną strukturę, szerokość, i zwiększanie jasności w pobliżu krawędzi strumienia. Aby zbadać zasadność tych dwóch modeli, międzynarodowy zespół kierowany przez Yuana Fenga z Obserwatorium Astronomicznego Chińskiej Akademii Nauk w Szanghaju, w skład którego wchodzi m.in. Andrzej Zdziarski z Centrum Astronomicznego im. M. Kopernika w Warszawie, symulował komputerowo dżety przewidywane przez te dwa modele dla supermasywnej czarnej dziury w centrum galaktyki Messier 87 (M87), gigantycznej galaktyki w gwiazdozbiorze Panny. Następnie zespół porównał swoje wyniki z rzeczywistymi obserwacjami dżetu w M87, które zarejestrowano na pierwszym w historii obrazie czarnej dziury zarejestrowanym przez Teleskop Horyzontu Zdarzeń (EHT). Badania zespołu wykazały, że model dżetu BZ dokładnie przewidział morfologię obserwowanego dżetu M87, podczas gdy model dżetu BP miał trudności z wyjaśnieniem obserwacji. Pracę zatytułowaną "Modeling the inner part of the jet in M87: Confronting jet morphology with theory" opublikowano w czasopiśmie Science Advances.
Jeśli chodzi o metody, zespół najpierw zastosował trójwymiarowe, ogólnorelatywistyczne symulacje magnetohydrodynamiczne (GRMHD), aby odtworzyć strukturę dżetu M87. Aby obliczyć promieniowanie z symulowanych dżetów i porównać je z obserwacjami, widmem energii i rozkładem przestrzennym kluczowe były promieniujące elektrony. Zespół postawił hipotezę, że przyspieszenie elektronów następuje w wyniku „ponownego połączenia magnetycznego”, tj. procesu, w którym energia magnetyczna przekształca się w energię kinetyczną, energię cieplną i przyspieszenie cząstek. W oparciu o tę hipotezę, zespół połączył wyniki badań przyspieszenia cząstek przy użyciu teorii kinetycznej, aby rozwiązać równanie rozkładu energii elektronów w stanie ustalonym. Następnie uzyskano widma energii i gęstości liczbowe elektronów w różnych obszarach symulowanych dżetów. Łącząc te informacje z symulacjami akrecji – obejmującymi natężenie pola magnetycznego, temperaturę plazmy gazowej i prędkość – zespół uzyskał wyniki, które można było porównać z rzeczywistymi obserwacjami, jak pokazano na przedstawianych tu rysunkach. Wyniki pokazały, że morfologia strumienia przewidziana przez model strumienia BZ bardzo dobrze pasuje do obserwowanej morfologii strumienia M87, włączając szerokość i długość strumienia, charakterystykę rozjaśniania brzegów i prędkość. Natomiast przewidywania modelu strumienia BP były niezgodne z obserwacjami.
Ponadto zespół przeanalizował proces ponownego łączenia linii pola magnetycznego i odkrył, że jest on spowodowany erupcjami magnetycznymi generowanymi przez pola magnetyczne w dysku akrecyjnym czarnej dziury M87. Erupcje te spowodowały silne zakłócenia pola magnetycznego, które mogło rozprzestrzeniać się na duże odległości, prowadząc do ponownego połączenia linii pola magnetycznego w dżetach. Praca ta wypełnia lukę pomiędzy dynamicznymi modelami powstawania dżetów a różnymi zaobserwowanymi właściwościami dżetów, dostarczając pierwszego dowodu na to, że model strumienia BZ rozwiązuje problemy energetyczne dżetów, a także wyjaśnia inne obserwacje.
Podpis rysunku: Porównanie obrazów przewidywanych przez modele i obserwacje. Obrazy powyżej tekstu są dla 86 GHz. Obrazy ponizej tekstu są dla 43 GHz. W obu panelach brazy górne przedstawiają model komputerowy, a dolne wyniki obserwacji.
Tekst: Yuan Feng.
