Ahli astrofisika Princeton mengungkap misteri jet lubang hitam dan 'pedang cahaya' galaksi

Sebuah tim astrofisikawan di Universitas Princeton telah mampu secara meyakinkan menentukan bahwa energinya mendekati energi tersebut. Lubang hitam M87* mendorong ke luar, bukan ke dalam, yang merupakan perdebatan lama di lapangan.

Satu hal yang diketahui semua orang tentang lubang hitam adalah segala sesuatu di dekatnya akan tersedot ke dalamnya.

hampir tidak Semuanya ternyata.

Elliot Quataert, astrofisikawan dan Charles A. Profesor Muda Astronomi di Universitas Princeton: “Meskipun lubang hitam dikenal sebagai objek yang tidak dapat lepas dari apa pun, salah satu prediksi mengejutkan teori relativitas Einstein adalah bahwa lubang hitam sebenarnya dapat kehilangan energi.” Batch dari Yayasan tahun 1897. “Ia dapat berputar, dan sama seperti gasing yang berputar melambat seiring berjalannya waktu dan kehilangan energinya saat berputar, lubang hitam yang berputar juga dapat kehilangan energi terhadap lingkungannya.”

Model ini telah diterima secara luas oleh para sarjana sejak tahun 1970an. Mereka tahu bahwa medan magnet mungkin mengekstraksi energi dari lubang hitam yang berputar, tapi mereka tidak tahu caranya.

Sebuah tim astrofisikawan di Universitas Princeton secara meyakinkan menetapkan bahwa energi di dekat cakrawala peristiwa lubang hitam M87* mengalir deras ke luar, bukan ke dalam. (M87 adalah nama galaksi, Messier 87, jadi lubang hitam di pusatnya disebut M87*.) Quatert mengatakan para peneliti juga menemukan cara untuk menguji prediksi bahwa lubang hitam kehilangan energi rotasi, dan untuk membuktikannya adalah bahwa energi yang menghasilkan “aliran keluar yang sangat kuat.” Itu yang kita lihat dan kita sebut jet.”

Sebuah animasi yang menunjukkan bagaimana medan magnet yang melintasi cakrawala peristiwa lubang hitam terpelintir seiring dengan putaran lubang hitam yang lebih cepat. Lubang hitam yang berputar lebih cepat memutar medan magnet lebih cepat, menyebabkan lubang hitam kehilangan lebih banyak energi terhadap lingkungannya. Sebuah tim astrofisikawan di Universitas Princeton mengamati pembungkusan garis medan magnet dalam gambar dari Event Horizon Telescope tentang polarisasi linier lubang hitam. Kredit: Video oleh George Wong, Institute for Advanced Study Universitas Princeton

Semburan aliran energi ini “pada dasarnya seperti sejuta-Tahun cahaya“Lightsaber yang panjang dapat memanjang 10 kali lebih lama dibandingkan lightsaber Jedi,” kata Alexandru Lobsaska, mantan peneliti pascadoktoral di Universitas Princeton. Bima Sakti galaksi.

Hasil kerja mereka baru-baru ini dipublikasikan di itu Jurnal Astrofisika. Andrew Chell, rekan peneliti di bidang astrofisika, adalah penulis pertama makalah ini. Dia dan rekan penulis George Wong keduanya adalah anggota Teleskop cakrawala peristiwa Mereka memainkan peran penting dalam mengembangkan model yang digunakan untuk menjelaskan lubang hitam. Chael, Wong, Lobsaska, dan Quataert semuanya adalah ahli teori yang berafiliasi dengannya Inisiatif Gravitasi Princeton.

Tim memuji Schell dengan wawasan penting yang menjadi inti makalah baru ini: bahwa arah naiknya garis medan magnet mengungkapkan arah aliran energi. Dari sana, “sisanya akan berjalan sesuai rencana,” kata Quataert.

Lubang hitam M87* (tanda bintang lubang hitam di pusat galaksi M87) menarik perhatian dunia saat pertama kali ditemukan oleh Event Horizon Telescope. Sejak itu, ahli astrofisika di Universitas Princeton telah menemukan bahwa medan magnet yang berputar di sekitar lubang hitam menentukan pusaran polarisasi yang diamati pada gambar lubang hitam. Secara khusus, arah aliran energi (dari lubang ke medan atau sebaliknya) menentukan bagaimana polarisasi dibungkus. Dengan mengukur arah putaran polarisasi, seseorang dapat menyimpulkan apakah medan magnet mengekstraksi energi putaran dari lubang atau menyuntikkan energi putaran ke dalamnya. Sumber gambar: Model oleh Andrew Chell, George Wong, Alexandru Lobsaska, dan Elliot Quataert, Princeton Gravity Initiative

“Jika Anda mengambil Bumi dan mengubah semuanya menjadi TNT dan meledakkannya 1.000 kali per detik selama jutaan tahun, itulah jumlah energi yang akan kita peroleh dari M87,” kata Wong, peneliti di Universitas Harvard. . Inisiatif Gravitasi Princeton dan anggota Institut Studi Lanjutan.

Para ilmuwan telah mengetahui selama beberapa dekade bahwa ketika lubang hitam mulai berputar, ia akan menarik struktur ruang-waktu. Garis-garis medan magnet yang melewati lubang hitam ditarik, memperlambat rotasi, melepaskan energi.

“Prediksi kami yang baru dan tajam adalah setiap kali Anda melihat lubang hitam astrofisika, jika lubang tersebut memiliki garis medan magnet yang melekat padanya, akan terjadi transfer energi – transfer energi dalam jumlah yang sangat gila,” kata Lobsaska, mantan peneliti di UCLA. . Princeton dan sekarang menjadi asisten profesor fisika dan matematika di Universitas Vanderbilt, di mana ia memenangkan penghargaan Perbatasan Baru dalam Hadiah Fisika 2024 Dari Foundation Breakthrough Award atas penelitiannya tentang lubang hitam.

Meskipun aliran energi di dekat cakrawala peristiwa M87* diarahkan ke luar, tim mengatakan aliran energi secara teoritis dapat diarahkan ke dalam lubang hitam yang berbeda. Mereka yakin akan hubungan antara aliran energi dan arah garis medan magnet, dan prediksi mereka bahwa aliran energi berasal dari lubang hitam akan diuji dengan peluncuran yang “masih teoretis”.generasi selanjutnya“Teleskop Cakrawala Peristiwa.

Selama satu setengah tahun terakhir, peneliti lubang hitam di seluruh dunia telah mengusulkan spesifikasi untuk instrumen masa depan, kata Wong. “Makalah penelitian seperti milik kami dapat memainkan peran penting dalam menentukan apa yang kita butuhkan. Saya pikir ini adalah saat yang sangat menarik.”

Keempat peneliti tersebut menekankan dalam makalah mereka bahwa mereka belum menunjukkan secara meyakinkan bahwa rotasi lubang hitam “sebenarnya menggerakkan jet ekstragalaksi,” meskipun buktinya pasti mengarah ke sana. Meskipun tingkat daya yang ditunjukkan oleh model mereka sesuai dengan kebutuhan pesawat, mereka tidak dapat mengesampingkan kemungkinan bahwa pesawat tersebut didukung oleh putaran. plasma Di luar lubang hitam. “Saya pikir kemungkinan besar lubang hitam adalah sumber tenaga bagi pesawat tersebut, namun kami tidak dapat membuktikannya,” kata Lobsaška. “Sampai sekarang.”

Referensi: “Pengukuran Polarisasi Lubang Hitam I. Tanda Tangan Ekstraksi Energi Elektromagnetik” oleh Andrew Chell, Alexandru Lobsaska, dan George N. Wong, Elliot Quataert, 14 November 2023, Jurnal Astrofisika.
doi: 10.3847/1538-4357/acf92d

Penelitian ini didukung oleh Princeton Gravity Initiative, Taplin Fellowship, National Science Foundation (Grant No. 2307888) dan Simons Foundation Investigator Award.