Den enorma kraften i jetstrålar från svarta hål

 

Bild https://www.curtin.edu.au  som visar den starka stjärnvinden då superjättestjärnan skjuter bort jetstrålarna som skjuts ut av det svarta hålet i närområdet av stjärnan. Källa: International Centre for Radio Astronomy Research

Ny forskning under ledning från Curtin University har använt ett radioteleskop för att ta bilder som mäter den enorma kraften hos jetstrålar från svarta hål vilka bekräftar forskares teorier om hur svarta hål hjälper till att forma universums struktur.

För att registrera mätningen använde forskarna en rad sammanlänkade teleskop över jorden separerade av stora avstånd för att observera jetstrålar från  svarta hål som kastades vidare utifrån ovan stjärnas vindar ungefär som starka vindar på jorden kan driva runt vatten i en fontän.

Genom att känna till vindens kraft och mäta hur mycket jetstrålarna böjdes kunde forskarna för första gången fastställa jetstrålarnas kraft från källan.

Dessutom kunde de bestämma hastigheten på det svarta hålets jetstrålar som visade sig vara ungefär hälften av ljusets hastighet eller 150 000 km per sekund.

Forskningen leddes från Curtin Institute of Radio Astronomy (CIRA) och Curtin-noden vid International Centre for Radio Astronomy Research (ICRAR) i samarbete med University of Oxford.

Huvudförfattaren Dr Steve Prabu, som arbetade vid CIRA vid tiden för forskningen och som nu är baserad vid University of Oxford, beskriver att forskarna kunde göra mätningen med hjälp av en sekvens av bilder av "rörliga strålar"  till att beskriva jetstrålarnas rörelsemönster när de upprepade gånger avleddes i olika riktningar av superjättestjärnans kraftfulla vindar när stjärnan och det svarta hålet rörde sig runt i sina banor.

Dr Prabu beskrev att mätningen gjorde det möjligt för forskare att förstå vilken andel av energi som frigörs runt svarta hål som kunde avsättas i omgivningen och förändrade miljön.

"En viktig upptäckt från denna forskning är att cirka 10 procent av energin som frigörs när materia faller in mot det svarta hålet trycks bort av jetstrålarna," beskriver Dr Prabu.

"Detta är vad forskare vanligtvis antar i storskaliga simulerade modeller av universum, men det har varit svårt att bekräfta detta tills nu genom observation."

Medförfattaren professor James Miller-Jones, från CIRA och Curtin-noden på ICRAR, beskriver att tidigare metoder endast kunde mäta den genomsnittliga strålkraften över tusentals eller till och med miljontals år vilket förhindrade noggranna jämförelser med röntgenenergin som omedelbart frigjordes från  infallande materia.

"Och eftersom våra teorier antyder att fysiken kring skilda storlekar av svarta hål är mycket lik kan vi nu använda denna mätning för att förankra vår förståelse av jetstrålar, oavsett om de kommer från svarta hål med 10 eller 10 miljoner gånger solens massa," beskriver professor Miller-Jones.

"Med radioteleskopprojekt som Square Kilometre Array Observatory som för närvarande byggs i Western Australia och Sydafrika, förväntar vi oss i framtiden att upptäcka jetstrålar från svarta hål i miljontals avlägsna galaxer och den ankarpunkt som denna nya mätning ger kommer att hjälpa till att kalibrera deras totala effekt.

"Svarta håljetstrålar ger en viktig källa till återkoppling till omgivningen och är avgörande för att förstå galaxers utveckling."

I en artikel publicerad i Nature Astronomy beskriver forskarna att jetstrålarnas kraft i Cygnus X-1  ett system bestående av det första bekräftade svarta hålet och en superjättestjärna motsvarade effekten den från 10000 solar av vår sols storlek.

En mängd små jetstrålar strålar ut från solen

 

Solvinden består av laddade partiklar som kallas plasma. Denna plasma flyr kontinuerligt från solen. Plasman sprider sig bort från solen och kolliderar med allt i sin väg. När solvinden kolliderar med jordens magnetfält ger det norrsken.

ESA/NASA Solar Orbiter har upptäckt en mängd små jetstrålar bestående av material som flyr från solens yttre atmosfär. Varje stråle varar mellan 20 och 100 sekunder och driver ut plasma från solen i en hastighet av cirka 100 km / s. Dessa strålar misstänks vara den eftersökta  källan till solvinden.

Forskare har vetat i årtionden att en betydande del av solvinden är förknippad med magnetiska strukturer på solen som kallas koronahål - regioner där solens magnetfält inte vänder tillbaka ner i solen utan istället sträcker sig magnetfältet långt ut i solsystemet.

Plasma kan flöda längs dessa "öppna" magnetfältlinjer, på sin väg ut i solsystemet vilket skapar solvinden. Men frågan är hur plasman uppstår?

Det traditionella antagandet är att då koronan är varm kommer den att expandera och en del av den kommer att fly längs fältlinjerna. Men de nya resultaten från en blick in i ett korona hål som var beläget vid solens sydpol och de enskilda strålarna som avslöjades då utmanar antagandet att solvinden endast produceras i ett stadigt kontinuerligt flöde. Energin i samband med varje enskild stråle är dock liten. I den övre änden av korona fenomen finns solfläckar, och i den nedre änden är de så kallade nano-flares. Det finns en miljard gånger mer energi i en flare än i en nanoflare 

De små jetstrålarna som upptäckts av Solar Orbiter är ännu mindre energirika än så de består av cirka tusen gånger mindre energi än en nanoflare och kanaliserar det mesta av den energin till utdrivningen av plasma.

De allestädes närvarande av dem som det antyds av de nya observationerna tyder dock på att de är en betydande del av materialet i solvinden. Och det kan finnas ännu mindre flares, mer frekventa händelser som ger ännu mer plasma sammantaget. Framtiden får visa om det stämmer.

För närvarande kretsar Solar Orbiter runt solen nära ekvatorn. 

Bild vikipedia Solens beräknade livscykel illustrerad som en tidslinje med solens olika faser.