Kozmik Toplar: Astrofizikçiler Kara Delik Jetlerine Yeni Bir Işık Tuttu...

Kara delikler, olay ufuklarından geçtiğinde ışığın bile kaçamayacağı kadar yoğun çekim kuvveti ile karakterize edilen büyüleyici kozmik varlıklardır. Ancak ilgi çekici bir şekilde, yüz yıldan fazla bir süre önce, olay ufkunun hemen dışında kara deliklerin, neredeyse ışık kadar hızlı hareket edebilen, jet adı verilen güçlü madde ve enerji akışları üretebildiği keşfedildi. Teleskopik gözlemler, bu jetlerin odaklanmış akışlar halinde doğrudan dışarıya doğru uzandığını, lazer ışınlarına benzediğini ve bazı jetlerin tüm galaksileri aşan uzunluklara ulaştığını göstermiştir. 

Jetlerin keşfinden bu yana, aralarında Nobel Ödülü sahibi Sir Roger Penrose'un da bulunduğu pek çok bilim adamı, bu esrarengiz fenomenin oluşumunu inceledi. Şu anda jet oluşumunu açıklamaya çalışan iki ana model bulunmaktadır: Adını araştırmacılar Blandford ve Znajek'ten alan ve şu anda en etkili model olan “BZ-jet modeli”, bir jetin, manyetik alan yoluyla bir kara delikten spin enerjisinin çıkarılmasıyla oluştuğunu öne sürmektedir. kara deliğin olay ufkuna bağlı çizgiler. Buna karşılık, ikinci model, bir kara deliğin birikim diskinden dönme enerjisinin çıkarılmasıyla bir jetin oluşturulduğunu öne sürüyor. İkincisi, güçlü yerçekimi kuvveti nedeniyle kara deliğin etrafında dönen iyonize gaz topluluğudur. İkinci model ise “disk-jet modeli” olarak tanımlanabilir.

Jet Oluşum Modellerinin Değerlendirilmesi Her ne kadar BZ-jet modeli diğer araştırmacılar tarafından genel göreli koşutlanmış çıkışları (etkili bir şekilde jetler) simüle etmek için zaten kullanılmış olsa da, BZ-jet modelinin, uzun yapısı, genişliği ve şekli de dahil olmak üzere gerçek bir jetin gözlemlenen morfolojisini açıklayıp açıklayamayacağı belli değildi. ve uzuvların parlatılması, yani jetin kenarına yakın parlaklığın artması. 

Bu iki modelin geçerliliğini araştırmak için, Çin Bilimler Akademisi Şangay Astronomi Gözlemevi'nden Dr. Yuan Feng liderliğindeki uluslararası bir ekip, Messier 87'nin merkezindeki süper kütleli kara delik için sırasıyla bu iki model tarafından tahmin edilen jetleri hesapladı ( M87), Başak takımyıldızı yönünde bulunan dev bir galaksi. Ekip daha sonra hesaplamalarını, Olay Ufku Teleskobu (EHT) tarafından yakalanan ilk kara delik görüntüsünde kaydedilen M87 jetinin gerçek gözlemleriyle karşılaştırdı. Ekibin araştırması, BZ-jet modelinin gözlemlenen M87 jetinin morfolojisini doğru bir şekilde tahmin ettiğini, disk-jet modelinin ise gözlemleri açıklamakta zorlandığını gösterdi. Çalışma Science Advances'da yayınlandı .

Metodoloji ve Bulgular Yöntem açısından ekip ilk olarak M87 jetinin yapısını yeniden oluşturmak için üç boyutlu genel göreli manyetohidrodinamik (GRMHD) simülasyonları kullandı. Simüle edilen jetlerden gelen radyasyonu hesaplamak ve radyasyonu gözlemlerle karşılaştırmak için, enerji spektrumu ve yayılan elektronların uzaysal dağılımı çok önemliydi. Ekip, elektron ivmesinin “manyetik yeniden bağlanma” yoluyla, yani manyetik enerjinin kinetik enerjiye, termal enerjiye ve parçacık ivmesine dönüştürüldüğü bir süreç yoluyla gerçekleştiğini varsaydı. Bu hipoteze dayanarak ekip, kararlı durum elektron enerji dağılımı denklemini çözmek için kinetik teoriyi kullanarak parçacık hızlandırma çalışmalarının sonuçlarını birleştirdi. Daha sonra simüle edilen jetlerin farklı bölgelerindeki elektronların enerji spektrumları ve sayı yoğunlukları elde edildi.

Ekip, bu bilgiyi manyetik alan gücü, gaz plazma sıcaklığı ve hız gibi birikim simülasyonlarıyla birleştirerek, gerçek gözlemlerle karşılaştırılabilecek sonuçlar elde etti. Sonuçlar, BZ-jet modeli tarafından tahmin edilen jet morfolojisinin, jet genişliği, uzunluğu, uzuv parlaklaştırma özellikleri ve hız dahil olmak üzere M87 jetinin gözlemlenen morfolojisiyle çok iyi eşleştiğini gösterdi. Bunun tersine, disk-jet modelinin tahminleri gözlemlerle tutarsızdı. 

Ekip ayrıca manyetik yeniden bağlanma sürecini analiz etti ve bunun M87 kara deliğinin birikim diskindeki manyetik alanların oluşturduğu manyetik patlamalardan kaynaklandığını buldu. Bu patlamalar, manyetik alanda uzun mesafelere yayılarak jetlerde manyetik yeniden bağlantıya yol açabilecek güçlü rahatsızlıklara neden oldu. Bu çalışma, jet oluşumunun dinamik modelleri ile jetlerin gözlemlenen çeşitli özellikleri arasındaki boşluğu kapatarak, BZ-jet modelinin jetlerin enerji sorunlarını ele aldığına dair ilk kanıtı sağladı ve aynı zamanda diğer gözlemleri de açıkladı.