U međunarodnom istraživanju koje predvodi dr. Yuan Feng iz Šangajskog astronomskog opservatorija, pod okriljem Kineske akademije znanosti, znanstvenici su se pozabavili istraživanjem dvaju vodećih teorijskih modela koji pokušavaju objasniti relativistički mlaz crnih rupa. Ovim istraživanjem, koje je usmjereno na analizu i usporedbu predviđenog zračenja tih modela s opažanjima mlaza galaksije M87, utvrđeno je da model zasnovan na principu “ekstrakcije rotacijske energije crne rupe” nudi precizno predviđanje karakteristika opaženih relativističkih mlazova. Nasuprot tome, model koji se oslanja na “ekstrakciju rotacijske energije akrecijskog diska” pokazao se manje uspješnim u objašnjavanju opaženih fenomena.
Ubrzanje elektrona, ključan proces odgovoran za zračenje mlazova crnih rupa, moguće je potaknuto fenomenom poznatim kao “magnetske erupcije” unutar akrecijskog diska. Ovo otkriće, objavljeno u časopisu Science Advances, predstavlja značajan napredak u našem razumijevanju astronomske dinamike. Crne rupe predstavljaju fascinantne svemirske fenomene s gravitacijskom silom toliko snažnom da ni svjetlost ne može pobjeći jednom kada pređe njihovu granicu, zvanu događajni obzor. Možemo zamisliti događajni obzor kao površinu crne rupe; unutar ove granice, potrebna brzina za bijeg iz crne rupe premašuje brzinu svjetlosti, koja je maksimalna moguća brzina.
Usprkos ovoj činjenici, crne rupe su u stanju emitirati izuzetno snažne mlazove materije i energije, koji se oslobađaju neposredno izvan događajnog obzora i mogu doseći brzine bliske brzini svjetlosti. Ti mlazovi, koji se protežu ravno iz crne rupe, mogu putovati kroz svemir na udaljenosti koje ponekad nadmašuju veličine cijelih galaksija, što teleskopske snimke spektakularno dokumentiraju, otkrivajući njihovu impozantnu snagu i domet.
Zagonetka o nastanku ovih zapanjujućih relativističkih mlazova već je više od stoljeća predmet detaljnog proučavanja brojnih znanstvenika, uključujući i dobitnika Nobelove nagrade Sir Rogera Penrosea. U suvremenom istraživačkom pristupu ovom pitanju, razmatraju se dva glavna modela. Prvi model temelji se na ekstrakciji rotacijske energije same crne rupe putem velikih magnetskih polja. Drugi model, s druge strane, također koristi velika magnetska polja ali se oslanja na ekstrakciju rotacijske energije iz akrecijskog diska. Fokus astronomskih istraživanja usmjeren je primarno na izvore energije koja pokreće ove mlazove. Stoga se postavlja pitanje mogu li mlazovi proizvedeni prema ovim modelima odgovarati opažanjima u smislu morfologije, širine, polja brzina i polarizacije. Tim na čelu s dr. Yuan Fengom uspio je dati odgovore na ova ključna pitanja.
Analzia mlazova crne rupe
U okviru svoje studije, istraživački tim se fokusirao na analizu relativističkih mlazova koji potječu iz supermasivne crne rupe u srcu galaksije M87. Ova je crna rupa postala svjetski poznata zahvaljujući prvoj fotografiji crne rupe ikada, koja je snimljena pomoću Event Horizon Teleskopa (EHT). Za potrebe analize, tim je koristio napredne metode velikih numeričkih simulacija za rješavanje jednadžbi opće relativističke magnetohidrodinamike. To im je omogućilo detaljan uvid u procese akrecije oko crne rupe, kao i u karakteristike mlazova generiranih prema razmatranim modelima.
Ključni aspekt ovog istraživanja bio je izračun zračenja iz mlazova i njegova usporedba s opažanjima, pri čemu su energetski spektar i prostorna distribucija zračećih elektrona igrali središnju ulogu. Pretpostavka tima bila je da se ubrzanje elektrona unutar mlazova odvija putem mehanizma magnetskom rekonekcijom, potaknuto “magnetskim erupcijama” unutar akrecijskog diska. Integrirajući fizičke mehanizme magnetkse rekonekcije s rezultatima studija ubrzanja čestica dobivenih kinetičkom teorijom, tim je uspio riješiti jednadžbu stacionarne distribucije energije elektrona, čime su dobiveni energetski spektri i gustoće broja elektrona u različitim područjima mlazova.
Ovi podaci, kombinirani s rezultatima numeričkih simulacija akrecije, koji uključuju faktore poput jačine magnetskog polja, temperature plazme i brzine, omogućili su timu da dobije raznovrsne predviđene rezultate opažanja temeljem izračuna prijenosa zračenja u okviru opće relativnosti. Ti rezultati mogli su se direktno uspoređivati s postojećim opažanjima. Analiza je pokazala da morfologija mlazova, kako ju predviđa model “izvlačenja rotacijske energije crne rupe”, izuzetno dobro korespondira s opaženom morfologijom mlazova. Osim toga, i druge predikcije ovog modela, poput “osvjetljavanja rubova” mlazova, širine, duljine i polja brzina, također su se pokazale vrlo usklađenima s opažanjima. S druge strane, predikcije modela “izvlačenja rotacijske energije akrecijskog diska” nisu se pokazale usklađenima s opaženim fenomenima.
Osim toga, detaljnom analizom fizičkog mehanizma magnetske rekonekcije, tim je otkrio da je ovaj proces rezultat “magnetskih erupcija” koje nastaju zbog aktivnosti magnetskih polja u akrecijskom disku supermasivne crne rupe M87. Ove erupcije uzrokuju snažne poremećaje u magnetskom polju, koje se zatim mogu širiti na velike udaljenosti, što dovodi do magnetske rekonekcije unutar mlazova.
Ovo istraživanje ne samo da premošćuje prazninu između dinamičkog modela formiranja mlazova i njihovih opaženih svojstava, već pruža i prve konkretne dokaze da navedeni dinamički model uspješno rješava energetske izazove povezane s mlazovima i objašnjava različite opažene rezultate. Ovakvi nalazi ne samo da proširuju naše razumijevanje ove fascinantne astronomske pojave, već i otvaraju nove mogućnosti za daljnja istraživanja kozmosa koji nas okružuje.
