Questo rendering illustra l'instabilità del nodo magnetico nei getti simulati che irradiano dal centro di una galassia. Si ritiene che i getti siano associati a buchi neri supermassicci. La linea del campo magnetico (bianca) in ciascun getto è attorcigliata mentre l'oggetto centrale (buco nero) ruota. Quando i getti entrano in contatto con la materia ad alta densità, i campi magnetici si accumulano e diventano instabili. Le curve irregolari e le asimmetrie delle linee del campo magnetico sono sintomatiche dell'instabilità del nodo. L'instabilità dissipa i campi magnetici in calore con il cambiamento di densità, portandoli a diventare meno strettamente avvolti. Credito:Berkeley Lab, Università di Purdue, NASA
Alcune delle esplosioni più estreme osservate nell'universo sono i misteriosi getti di energia e materia che si irradiano dal centro delle galassie a quasi la velocità della luce. Questi getti stretti, che tipicamente si formano in coppie opposte si ritiene che siano associati a buchi neri supermassicci e altri oggetti esotici, anche se i meccanismi che li guidano e li dissipano non sono ben compresi.
Ora, un piccolo team di ricercatori ha sviluppato teorie supportate da simulazioni 3D per spiegare cosa sta succedendo.
Trovare cause comuni di instabilità nei jet spaziali
"Questi jet sono notoriamente difficili da spiegare, " disse Alexander "Sasha" Tchekhovskoy, un ex collega della NASA Einstein che ha co-diretto il nuovo studio come membro della Divisione di scienze nucleari presso il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'energia, e i dipartimenti di Astronomia e Fisica e il Centro di Astrofisica Teorica dell'UC Berkeley. "Perché sono così stabili in alcune galassie e in altre si sfaldano?"
Fino a metà dell'energia dei getti può fuoriuscire sotto forma di raggi X e forme più forti di radiazioni. I ricercatori hanno mostrato come due diversi meccanismi, entrambi legati all'interazione dei getti con la materia circostante, noto come "mezzo ambiente" - servono a ridurre circa la metà dell'energia di questi potenti getti.
"La parte entusiasmante di questa ricerca è che ora stiamo arrivando a comprendere l'intera gamma di meccanismi di dissipazione che funzionano nel getto, " non importa la dimensione o il tipo di getto, Egli ha detto.
Un'animazione che mostra le instabilità del campo magnetico in due getti di radiazione e materia irradiati da un buco nero supermassiccio (al centro). Il campo magnetico (bianco) è distorto dalla rotazione del buco nero. Credito:Berkeley Lab, Università di Purdue
Lo studio che Tchekhovskoy ha co-diretto con gli scienziati della Purdue University Rodolfo Barniol Duran e Dimitrios Giannios è pubblicato nell'edizione del 21 agosto di Avvisi mensili della Royal Astronomical Society . Lo studio conclude che il mezzo ambientale stesso ha molto a che fare con il modo in cui i getti rilasciano energia.
"Siamo stati finalmente in grado di simulare getti che partono dal buco nero e si propagano a distanze molto grandi, dove si scontrano con il mezzo ambientale, " disse Duran, ex ricercatore post-dottorato presso la Purdue University, ora membro di facoltà presso la California State University, Sacramento.
Cechovskoj, che ha studiato questi getti per oltre un decennio, ha detto che un effetto noto come stabilità del nodo magnetico, che provoca una curva improvvisa in direzione di alcuni getti, e un altro effetto che innesca una serie di shock all'interno di altri getti, sembrano essere i meccanismi primari per il rilascio di energia. La densità del mezzo ambientale che incontrano i getti funge da innesco chiave per ogni tipo di meccanismo di rilascio.
"Per molto tempo, abbiamo ipotizzato che urti e instabilità innescano gli spettacolari giochi di luce dei getti. Ora queste idee e questi modelli possono essere gettati su un terreno teorico molto più solido, " disse Giannis, assistente professore di fisica e astronomia alla Purdue.
La lunghezza e l'intensità dei getti possono illuminare le proprietà dei loro buchi neri associati, come la loro età e dimensione e se si stanno attivamente "nutrendo" della materia circostante. I getti più lunghi si estendono per milioni di anni luce nello spazio circostante.
"Quando osserviamo i buchi neri, le prime cose che notiamo sono le striature centrali di questi getti. Puoi creare immagini di queste strisce e misurare le loro lunghezze, larghezze, e velocità per ottenere informazioni dal centro del buco nero, " ha osservato Tchekhovskoy. "I buchi neri tendono a mangiare in abbuffate di decine e centinaia di milioni di anni. Questi getti sono come i "rutti" dei buchi neri:sono determinati dalla dieta e dalla frequenza di alimentazione dei buchi neri".
Questa animazione mostra la propagazione di un getto di radiazione ad alta energia e materia da un buco nero (alla base dell'animazione) in una simulazione, in quattro diversi momenti. I fotogrammi mostrano cosa succede quando il getto entra in contatto con la materia più densa mentre si estende nello spazio circostante. Credito:Berkeley Lab, Università di Purdue
Anche se nulla, nemmeno la luce, può sfuggire all'interno di un buco nero, i getti riescono in qualche modo a trarre la loro energia dal buco nero. I jet sono guidati da una sorta di trucco contabile, Lui ha spiegato, come scrivere un assegno per un importo negativo e avere denaro sul tuo conto. Nel caso del buco nero, sono le leggi della fisica piuttosto che una scappatoia bancaria che consente ai buchi neri di vomitare energia e materia anche se risucchiano la materia circostante.
L'incredibile attrito e riscaldamento dei gas che si muovono a spirale verso il buco nero causano temperature estreme e compressione nei campi magnetici, con conseguente contraccolpo energetico e un deflusso di radiazioni che sfugge alla forte attrazione del buco nero.
Una storia di nodi magnetici e shock in sequenza
Studi precedenti avevano mostrato come possono verificarsi instabilità magnetiche (stordimenti) nei getti quando i getti entrano nel mezzo ambientale. Questa instabilità è come una molla magnetica. Se schiacci la molla da entrambe le estremità tra le dita, la molla volerà di lato dalla tua mano. Allo stesso modo, un getto che sperimenta questa instabilità può cambiare direzione quando si scontra con la materia al di fuori della portata del buco nero.
Lo stesso tipo di instabilità ha frustrato gli scienziati che lavoravano sulle prime macchine che tentavano di creare e sfruttare un supercaldo, stato carico della materia noto come plasma nel tentativo di sviluppare l'energia di fusione, che alimenta il sole. I getti spaziali, noti anche come getti di nuclei galattici attivi (AGN), sono anche una forma di plasma.
L'ultimo studio ha scoperto che nei casi in cui un getto precedente aveva "preforato" un buco nel mezzo ambientale che circondava un buco nero e la materia impattata dal getto appena formato era meno densa, un processo diverso è all'opera sotto forma di shock di "ricollimazione".
Confronto affiancato di "istantanee" di densità prodotte in una simulazione 3D di getti che escono da un buco nero (alla base delle immagini). Il rosso mostra una densità maggiore e il blu mostra una densità inferiore. Le linee direzionali nere mostrano le linee di flusso del campo magnetico. Le linee magnetiche perturbate riflettono sia l'emergere di campi magnetici irregolari nei getti sia le deviazioni su larga scala dei getti dal piano dell'immagine, entrambi causati dall'instabilità del nodo magnetico 3D. Credito:Berkeley Lab, Università di Purdue
Questi shock si formano quando la materia e l'energia nel getto rimbalzano sui lati del foro. Il getto, while losing energy from every shock, immediately reforms a narrow column until its energy eventually dissipates to the point that the beam loses its tight focus and spills out into a broad area.
"With these shocks, the jet is like a phoenix. It comes out of the shock every time, " though with gradually lessening energy, Tchekhovskoy said. "This train of shocks cumulatively can dissipate quite a substantial amount of the total energy."
The researchers designed the models to smash against different densities of matter in the ambient medium to create instabilities in the jets that mimic astrophysical observations.
Peering deeper into the source of jets
Nuovo, higher-resolution images of regions in space where supermassive black holes are believed to exist – from the Event Horizon Telescope (EHT), for example – should help to inform and improve models and theories explaining jet behavior, Tchekhovskoy said, and future studies could also include more complexity in the jet models, such as a longer sequence of shocks.
"It would be really interesting to include gravity into these models, " Egli ha detto, "and to see the dynamics of buoyant cavities that the jet fills up with hot magnetized plasma as it drills a hole" in the ambient medium.
He added, "Seeing deeper into where the jets come from – we think the jets start at the black hole's event horizon (a point of no return for matter entering the black hole) – would be really helpful to see in nature these 'bounces' in repeating shocks, Per esempio. The EHT could resolve this structure and provide a nice test of our work."
