Sorte huller er de mest spændende og ærefrygtindgydende kræfter i naturen. De er også en af de mest mystiske på grund af den måde, reglerne for konventionel fysik bryder sammen i deres nærvær. På trods af årtiers forskning og observationer er der stadig meget, vi ikke ved om dem. Faktisk havde astronomer indtil for nylig aldrig set et billede af sort hul og var ikke i stand til at måle deres masse.
Imidlertid meddelte et team af fysiker fra Moskva Institut for Fysik og Teknologi (MIPT) for nylig, at de havde udtænkt en måde at indirekte måle massen af et sort hul, samtidig med at det bekræftede dens eksistens. I en nylig undersøgelse viste de, hvordan de testede denne metode på det for nylig afbildede supermassive sorte hul i midten af Messier 87 aktive galakse.
Undersøgelsen optrådte i augustudgaven af Månedlige meddelelser fra Royal Astronomical Society. Foruden forskere fra MIPT inkluderede teamet medlemmer fra det hollandske-baserede Joint Institute for VLBI ERIC (JIVE), Academia Sinica's Institute of Astronomy & Astrophysics i Taiwan og NOAJ's Mizusawa VLBI Observatory i Japan.
I årtier har astronomer vidst, at de fleste massive galakser har et supermassivt sort hul (SMBH) i deres centrum. Tilstedeværelsen af denne SMBH fører til en betydelig mængde aktivitet i kernen, hvor gas og støv falder ned i en akkretionsskive og accelererer til hastigheder, der får dem til at udsende lys, såvel som radio, mikrobølgeovn, røntgenstråle og gamma- stråling.
For nogle galakser er mængden af stråling, der produceres af kerneområdet, så lys, at den faktisk styrker lyset, der kommer fra alle stjernerne på dens disk kombineret. Disse er kendt som Active Galactic Nuclei (AGN) galakser, da de har aktive kerner, og andre galakser er relativt “stille”. En anden fortællende identifikation af, at en galakse er aktiv, er de lange stråler af overophedet stof, der strækker sig.
Disse "relativistiske jetfly", der kan strække sig over millioner af lysår udad, er såkaldte, fordi materialet i dem accelereres til en brøkdel af lysets hastighed. Selvom disse jetfly ikke helt er klar over endnu, er den nuværende konsensus, at de er produceret af en bestemt "motorisk effekt" forårsaget af en hurtigt spinnende SMBH.
Et godt eksempel på en aktiv galakse med en relativistisk jet er Messier 87 (alias Virgo A), en supergigantisk galakse beliggende i retning af Jomfruens konstellation. Denne galakse er den nærmeste aktive galakse til Jorden, og derfor en af de bedst studerede. Den blev oprindeligt opdaget i 1781 af Charles Messier (som fejlagtigt gjorde det for en tåge) og er blevet undersøgt regelmæssigt lige siden. I 1918 blev dens optiske jet den første af sin art, der blev observeret.
Takket være dens nærhed har astronomer været i stand til at studere Messier 87's jet omhyggeligt - kortlægge dens struktur og plasmahastigheder og måle temperaturer og partikeltætheder nær jetstrømmen. Jetens grænser er blevet undersøgt i detaljer, at forskere opdagede, at det var homogent i dets længde og ændrede form, jo længere det strækkede sig (går fra parabolsk til konisk).
Alle disse observationer har givet astronomer mulighed for at teste hypoteser om strukturen af aktive galakser og forholdet mellem ændringer i jetens form og påvirkningen af det sorte hul i den galaktiske kerne. I dette tilfælde udnyttede det internationale forskerteam dette forhold og til at bestemme massen af M87s SMBH.
Holdet stole også på teoretiske modeller, der forudsiger en jet's break, som gjorde det muligt for dem at oprette en model, hvor en SMBH's masse nøjagtigt ville gengive den observerede form af M87's jet. Ved at måle jetens bredde og afstanden mellem kernen og brudets form, fandt de også, at M87's jetgrænse består af to segmenter med to karakteristiske kurver.
I sidste ende gav kombinationen af teoretiske modeller, observationer og computerberegninger teamet mulighed for at opnå en indirekte måling af det sorte huls masse og spinhastighed. Denne undersøgelse tilvejebringer ikke kun en ny model til estimering af sort hul og et nyt måleinstrument for jetfly, men bekræfter også hypotesen bag strukturen af jetfly.
I det væsentlige beskriver holdets resultater strålen som en strøm af magnetiseret væske, hvor formen bestemmes af det elektromagnetiske felt deri. Dette er til gengæld afhængige ting som hastigheden og opladningen af jetpartiklerne, den elektriske strøm inden i strålen og den hastighed, hvormed SMBH hæver stof fra dens omgivende disk.
Samspillet mellem alle disse faktorer er det, der giver anledning til det observerede brud i en jetform, som derefter kan bruges til at ekstrapolere SMBHs-massen, og hvor hurtigt den roterer. Elena Nokhrina, vicechef for MIPT-laboratoriet, der er involveret i undersøgelsen og hovedforfatter på teamets papir, beskriver metoden, som de udviklede på følgende måde:
”Den nye uafhængige metode til estimering af sort hulmasse og spin er det centrale resultat af vores arbejde. Selvom dets nøjagtighed er sammenlignelig med de eksisterende metoders, har den en fordel ved, at den bringer os tættere på slutmålet. Nemlig at foredle parametrene for kernemotoren for at uddybe dens natur. ”
Takket være tilgængeligheden af sofistikerede instrumenter til undersøgelse af SMBH'er (som Event Horizon Telescope) og næste generations rumteleskoper, der snart er i drift, vil det ikke tage lang tid, før denne nye model bliver grundigt testet. En god kandidat ville være Skytten A *, SMBH i centrum af vores galakse, der skønnes at være mellem 3,5 millioner 4,7 millioner solmasser.
Ud over at placere mere nøjagtige begrænsninger på denne masse, kunne fremtidige observationer også bestemme, hvor aktiv (eller inaktiv) kernen i vores galakse er. Disse og andre sorte hul mysterier venter!
