Forskere klargjør dynamikken i rotasjonsenergi med svart hull

204th Knowledge Seekers Workshop Dec 28 2017 (Kan 2019).

Anonim

Astrofysikere ved MIPT har utviklet en modell for å teste en hypotese om supermassive svarte hull i galaksenes sentre. Den nye modellen gjør det mulig for forskere å forutsi hvor mye rotasjonsenergi et svart hull taper når det avgir stråler av ionisert materiale kjent som astrofysiske stråler. Energitapet er estimert basert på målinger av et stråles magnetfelt. Papiret ble utgitt i tidsskriftet Frontiers in Astronomy and Space Sciences.

Astrofysikere har observert hundrevis av relativistiske stråler - enorme utstrømninger av saken utstilt av aktive galaktiske kjerne som inneholder supermassive sorte hull. Saken i en jet er akselerert nesten til lysets hastighet, derav begrepet "relativistisk". Jets er kolossale, selv etter astronomiske standarder - deres lengde kan være opptil flere prosent av vertenes galakse, eller om lag 300.000 ganger større enn det tilhørende sorte hullet.

Når det er sagt, er det fortsatt mange forskere som ikke vet om jetfly. Astrofysikere er ikke engang sikker på hva de er laget av fordi jet observasjoner gir ingen spektrale linjer. Nåværende konsensus innebærer at stråler er sannsynligvis laget av elektroner og positroner eller protoner, men de forblir ganske mystiske. Etter hvert som forskere oppnår nye data, kommer en mer omfattende og selvkonsistent modell av dette fenomenet gradvis fram.

Saken omkranser og faller på et svart hull blir referert til som accretion-disken. Det spiller en avgjørende rolle i jetformasjon. Et svart hull, sammen med dens oppladningsdisk og jets (fig. 1), antas å være den mest effektive "maskinen" for å konvertere energi. Hvis vi definerer effektiviteten til et slikt system som forholdet mellom energien som bæres av jetsene til energien til det akkumulerte stoffet, kan det til og med overstige 100 prosent.

Likevel viser en nærmere titt på systemet at den andre loven om termodynamikk fortsatt har. Dette er ingen evigvarende bevegelsesmaskin. Det viser seg at en del av energien til strålen kommer fra rotasjonen av det svarte hullet. Det er ved å drive en jet, et svart hull spinner gradvis langsommere.

På en måte er denne tilsynelatende evige bevegelsen mer som en elektrisk sykkel. Det er en tilsynelatende mismatch mellom inngangsenergien til det akkreterende materielle arbeidet, når det gjelder biker- og utgangsenergien til strålen, eller bevegelsen av sykkelen. I begge tilfeller er det imidlertid en ekstra skjult energikilde, nemlig batteriet som driver sykkelens elektriske motor og rotasjon av det svarte hullet.

Ved hjelp av et svart hull blir vinkelmomentet, det begynner å snurre raskere. Jets bære bort noe av dette overskytende vinkelmomentet i det som kalles roterende energiutvinning. Lignende effekter observeres i unge stjerner. Under dannelsen av en stjerne fanger det saken om accretion-disken, som har enorm vinkelmoment. Imidlertid viser observasjoner at slike stjerner faktisk roterer ganske sakte. Alt det manglende vinkelmomentet brukes til å drive de smale strålene som utstråles av disse stjernene.

Forskere har nylig utviklet en ny metode for måling av magnetfeltene i strålene utgitt av de aktive galaktiske kjernene. I hennes papir viste astrofysikeren Elena Nokhrina at denne metoden kan brukes til å estimere bidraget fra svart hullrotasjon til strålekraft. Hittil har formelen for kanalisering av rotasjonsenergi i energien til strålen ikke blitt testet empirisk. Dessverre har ingen pålitelige observasjoner hittil fange svart hullrotasjonsraten, noe som er viktig for å estimere tapet av rotasjonsenergi.

Et svart hull har ikke eget magnetfelt. Imidlertid genereres et vertikalt magnetfelt rundt det av det ioniserte materiale i akkretjonsdisken. For å estimere tapet av rotasjonsenergi med et svart hull, må forskere finne den magnetiske fluxen gjennom grensen rundt et svart hull kjent som hendelseshorisonten.

"Fordi den magnetiske fluxen er konservert, ved å måle dens størrelse i strålen, lærer vi også den magnetiske fluxen nær det svarte hullet. Ved å kjenne det svarte hullets masse kan vi beregne avstanden fra rotasjonsaksen til hendelseshorisonten - dens teoretiske grense.Det gir oss mulighet til å estimere den elektriske potensialforskjellen mellom rotasjonsaksen og grensen til det svarte hullet. Ved å regne med elektrisk feltskjerming i plasma er det mulig å finne den elektriske strømmen nær det svarte hullet. Å vite både strømmen og potensialforskjellen, kan vi estimere mengden energi som er tapt av det svarte hullet på grunn av nedbremsing av rotasjonen, sier Elena Nokhrina, forfatteren av papiret og nestleder for det relativistiske astrofysikklaboratoriet ved MIPT.

Beregningene peker mot korrelasjon mellom den totale effekten av en stråle utstrålet av et svart hull og tapet av rotasjonsenergi ved det svarte hullet. Spesielt gjør denne studien en ny modell av jetstruktur (figur 2). Før denne modellen ble avansert, antok forskerne at stråler har en homogen tverrstruktur, noe som er en forenkling. I den nye modellen er magnetfeltet til en jet ikke homogent, noe som gjør det mulig å gi mer nøyaktige spådommer.

De fleste av de galakser som er vert for jets er for fjernt for den tverrgående strukturen av deres magnetfelt som skal skelnes. Så sammenlignes det eksperimentelt målte magnetfeltet med sin transverselle struktur for å estimere størrelsen på feltets komponenter. Bare ved å ta hensyn til tverrstruktur, er det mulig å teste mekanismen for svinghullrotasjonstråler. Ellers ville det være nødvendig å vite rotasjonsraten.

Hypotesen som ble testet i studien, sier at strålekraften avhenger av den magnetiske fluxen og rotasjonshastigheten til det svarte hullet. Dette gjør det mulig å måle i hvilken grad en jet drives av rotasjonsenergi. Dette teoretiske arbeidet gjør det mulig å estimere hvor mye rotasjonsenergien er tapt av et svart hull uten å vite rotasjonshastigheten ved kun å bruke magnetfeltmålingene av strålen.

menu
menu