Bortom ett svart håls skugga

 

Bild https://tacc.utexas.edu/ Superdatorsimuleringar hjälper forskare att få förståelse av miljön bortom ett svart håls "skugga", materia precis utanför dess händelsehorisont. Ovan är en ögonblicksbild av strålningssimuleringar av det svarta hålet M87. Källa: DOI: 10.1093/mnras/staf200

De första bilderna av svarta hål togs 2019. Bilderna visade ett glödande munkformat objekt i centrum av galaxen Messier 87 (M87 – 55 miljoner ljusår från jorden). Superdatorsimuleringar hjälper nu forskare att få  mer förståelse av miljön bortom ett svart håls "skugga", materia precis utanför dess händelsehorisont.

"Ända sedan vi tog den första bilden av det svarta hålet har det pågått mycket arbete med att försöka förstå miljön runt det svarta hålet", beskriver Andrew Chael, forskare vid Princeton University och medlem av Princeton Gravity Initiative. Event Horizon Telescope Collaboration (EHT),  kopplar samman teleskop från hela världen för att bilda ett megateleskop som är ungefär lika stort som jorden. EHT använder en teknik som kallas Very Long Baseline Interferometry, en typ av astronomisk interferometri som används inom radioastronomi och som jämför teleskopsignaler för att sy ihop dessas bilder som löst upp det svarta hålet M87.

I bilden av det svarta hålet visas ljus från heta elektroner som kretsar runt omgivande magnetfältslinjer som ger synkrotronstrålning. 

"Vi vill förstå karaktären hos partiklarna i plasma som det svarta hålet slukar och detaljerna i magnetfälten blandade med plasmat som i M87 avfyrar enorma, ljusstarka jetstrålar av subatomära partiklar", beskriver Chael. Dennes forskargrupp är en av dem som använder avancerade simuleringar för att modellera det dynamiska samspelet mellan högenergirik plasma, kraftfulla magnetfält och den överväldigande gravitationen nära svarta hål. Dessa krafter verkar inte isolerat  de interagerar på komplexa, återkopplingsdrivna sätt som gör det möjligt för svarta hål att konsumera omgivande materia, skicka iväg jetstrålar över stora avstånd och avge en glödande strålning som fångas upp av Event Horizon Telescope. Chaels senaste framsteg inom  simuleringsteknik beskrivs i hans studie  som publicerades i februari 2025 i Monthly Notices of the Astronomical Society.

Simuleringar som visar de elektriskt laddade partiklarna av protoner och elektroner i plasmat som omger det svarta hålet som ses som en vätska. Högupplösta simuleringar avslöjade att även om det svarta hålets skugga förblir anmärkningsvärt konsekvent i storlek och allmän struktur  år från år är den långt ifrån statisk. Dessutom skiftar den ljusaste punkten på ringen över tid, drivet av turbulent blandning och dynamiska flöden av plasma nära händelsehorisonten. 

När olika områden av gas värms upp eller kyls ner på grund av dessa kaotiska processer, utvecklas det svarta hålets utseende subtilt men mätbart.

Första bilden på hur ett svart hål kastar ut en jetstråle.

 

Astronomer har  för första gången tagit en a bild av ett svart hål då  det kastar ut en kraftfull jetstråle.

Bilden visar händelsen som skedde från det svarta hålet i centrum av galaxen Messier 87 (M87). Det  svarta hål som var det som blev först avbildat av människan. Bilden av det svarta hålet (första fotot av ett svart hål) togs av Event Horizon Telescope (EHT) i ett  samarbete under 2017 och presenterades 2019 för allmänheten och gav nobelpriset i Fysik 2020. /

Bilden ovan visar för första gången hur basen av en jetstråle rör sig med en hastighet som närmar sig ljusets från materia som virvlar runt ett svart hål ögonblicken innan materian dras ner i hålet.  En process som kallas ackretion. https://sv.wikipedia.org/wiki/Ackretionsskiva

Vid tidigare bildtagningar  av M87:s centrala svarta hål hade det lyckats få bild på jetstrålen det sänder ut och även på det svarta hålet självt. Men aldrig  de två funktionerna tillsammans. Därför är det en historisk bild  som nu tagits. M87 har en massa som är 6,5 miljarder gånger större än  solens och det finns 55 miljoner ljusår från jorden. 

Ovan nytagna  bild av M87 och utflödet av jetstrålen  togs med hjälp av data från 2018 från radioteleskopen Global Millimetre VLBI Array (GMVA), Greenland Telescope och Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA), som arbetade tillsammans för i att bilda ett virtuellt instrument av jordens storlek (ungefär som EHT-nätverket gör). 

De flesta eller alla stora galaxer antas numera ha massiva svarta hål i sitt centrum. En del av dessa svarta hål  likt det i mitten av M87 drar till sig stora mängder materia av gas och damm  och även stjärnor om de får möjlighet till detta.

Det resulterar i att de kastar ut kraftfulla strålar av materia som rör sig med nära ljushastigheten och kan sträcka sig många tusen ljusår ut från den galax där de finns. Hur dessa utkast går till och varför de sker är okänt, beskriver studiemedlem Ru-Sen Lu, från Shanghai Astronomical Observatory, det i teamets forskning som publicerades online den 26 april i tidskriften Nature.

Förutom att visa strålen då den spränger ut ur det svarta hålet visar bilden även vad forskare kallar skuggan av det svarta hålet. När materia rör sig runt det svarta hålet med nära ljusets hastighet genom ett enormt gravitationellt skeende värms materialet upp och lyser.

Det ger den ljusa gyllene ring som ses i EHT: s bilder av M87 och det supermassiva svarta hålet i centrum av Vintergatan, (Sagittarius A* (Sgr A*)). I mitten av denna glödande gyllene ring finns totalt mörker det är vad som kallas skuggan av det svarta hålet.

Med hjälp av nätverk av teleskop kommer astronomer nu att arbeta vidare för att bättre förstå hur inmatning av materia i svarta hål ger kraftfulla jetstrålar bestående av materia.

Vi planerar att observera området av det svarta hålet i centrum av M87 i olika radiovåglängder för att ytterligare studera jetstrålens emission. De kommande åren blir spännande eftersom vi då kommer att lära oss mer om vad som händer nära en av de mest mystiska regionerna i universum. beskriver Eduardo Ros, från Max Planck-institutet för radioastronomi det.

Bilden är från https://www.space.com/ och visar den kraftfulla jetstrålen som kommer från det supermassiva svarta hålet i hjärtat av galaxen Messier 87. (Bildkredit: R.-S. Lu (SHAO), E. Ros (MPIfR), S. Dagnello (NRAO/AUI/NSF))