תותחים קוסמיים: אסטרופיזיקאים שופכים אור חדש על מטוסי חור שחור

חורים שחורים הם ישויות קוסמיות מרתקות המאופיינות במשיכה כבידה כה אינטנסיבית שאפילו אור לא יכול לברוח ברגע שהוא חוצה אל אופקי האירועים שלהם. ובכל זאת, באופן מסקרן, לפני יותר ממאה שנים, התגלה שממש מחוץ לאופק האירועים, חורים שחורים יכולים לייצר זרמים חזקים של חומר ואנרגיה, המכונים סילונים, שיכולים לנוע כמעט במהירות כמו האור. תצפיות טלסקופיות הראו שהסילונים הללו משתרעים ישירות החוצה בזרמים ממוקדים, הדומים לקרני לייזר, כאשר כמה סילונים מגיעים לאורכים שעולים על גלקסיות שלמות.

מאז גילוי מטוסי הסילון, חוקרים רבים, כולל חתן פרס נובל סר רוג'ר פנרוז, חקרו את היווצרותן של תופעות אניגמטיות אלו. נכון לעכשיו, שני מודלים עיקריים מנסים להסביר את היווצרות סילון: "מודל סילון BZ", שנקרא על שם החוקרים בלנדפורד וזנאג'ק וכיום המודל המשפיע ביותר, טוען שסילון נוצר על ידי הפקת אנרגיית ספין מ- חור שחור באמצעות קווי שדה מגנטי המחוברים לאופק האירועים של החור השחור. לעומת זאת, המודל השני טוען שסילון נוצר על ידי חילוץ אנרגיה סיבובית מדיסקת ההצטברות של חור שחור. האחרון הוא אוסף של גז מיונן המסתובב סביב החור השחור בשל כוח הכבידה החזק שלו. ניתן לתאר את הדגם השני כ"דגם סילון דיסק".

הערכת מודלים להיווצרות סילון

למרות שמודל ה-BZ-Jet כבר שימש על ידי חוקרים אחרים כדי לדמות זרימות קולימטיביות רלטיביות כלליות – למעשה, סילונים – לא היה ברור אם מודל ה-BZ-Jet יכול להסביר את המורפולוגיה הנצפית של סילון בפועל, כולל המבנה המוארך שלו, רוחבו, והבהרת גפיים, כלומר, הבהירות המוגברת שלו ליד קצה הסילון.

כדי לחקור את תקפותם של שני המודלים הללו, צוות בינלאומי בראשות ד"ר יואן פנג ממצפה הכוכבים האסטרונומי של שנחאי של האקדמיה הסינית למדעים חישב את הסילונים שנחזו בהתאמה על ידי שני המודלים הללו עבור החור השחור העל-מאסיבי במרכז מסייר 87 ( M87), גלקסיה ענקית בקבוצת הכוכבים בתולה. לאחר מכן, הצוות השווה את חישוביו עם תצפיות בפועל של מטוס הסילון M87, אשר תועד בתמונה הראשונה אי פעם של חור שחור שנלכד על ידי טלסקופ אופק אירועים (EHT). המחקר של הצוות הראה שמודל הסילון BZ חזה במדויק את המורפולוגיה של סילון ה-M87 שנצפה, בעוד שמודל הסילון הדיסק התקשה להסביר את התצפיות. המחקר פורסם ב התקדמות המדע.

מתודולוגיה וממצאים

במונחים של שיטות, הצוות השתמש לראשונה בסימולציות מגנטוהידרודינמיות כלליות תלת מימדיות (GRMHD) כדי לשחזר את המבנה של סילון M87. כדי לחשב את הקרינה מהסילונים המדומים ולהשוות את הקרינה לתצפיות, ספקטרום האנרגיה וההפצה המרחבית של אלקטרונים מקרינים היו מכריעים. הצוות שיער כי האצת אלקטרונים התרחשה באמצעות "חיבור מחדש מגנטי", כלומר, תהליך שבו אנרגיה מגנטית מומרת לאנרגיה קינטית, אנרגיה תרמית והאצת חלקיקים. בהתבסס על השערה זו, הצוות שילב את התוצאות של מחקרי האצת חלקיקים תוך שימוש בתיאוריה קינטית כדי לפתור משוואת חלוקת אנרגיית אלקטרונים במצב יציב. לאחר מכן הוא השיג את ספקטרום האנרגיה וצפיפות המספרים של אלקטרונים באזורים שונים של הסילונים המדומים.

שילוב מידע זה עם הדמיות צבירה – כולל חוזק שדה מגנטי, גז פְּלַסמָה טמפרטורה ומהירות – הצוות השיג תוצאות שניתן להשוות עם תצפיות אמיתיות. התוצאות הראו שהמורפולוגיה של הסילון שנחזה על ידי מודל ה-BZ-jet תאמה היטב את המורפולוגיה הנצפית של סילון M87, כולל רוחב סילון, אורך, מאפייני הבהרה של גפיים ומהירות. לעומת זאת, התחזיות של מודל הדיסק סילון לא היו עקביות עם תצפיות.

בנוסף, הצוות ניתח את תהליך החיבור המגנטי מחדש ומצא שהוא נובע מהתפרצויות מגנטיות שנוצרו על ידי שדות מגנטיים בדיסק הצבירה של החור השחור M87. התפרצויות אלו גרמו להפרעות חזקות בשדה המגנטי, שעלולות להתפשט למרחקים ארוכים, ולהוביל לחיבור מגנטי מחדש בסילונים.

עבודה זו מגשרת על הפער בין מודלים דינמיים של היווצרות סילון לבין מאפיינים שונים שנצפו של סילונים, ומספקת את העדות הראשונה לכך שמודל ה-BZ-Jet מתייחס לבעיות האנרגיה של סילונים וגם מסביר תצפיות אחרות.