Gli astrofisici del MIPT hanno sviluppato un modello per testare un'ipotesi sui buchi neri supermassicci al centro delle galassie. Il nuovo modello consente agli scienziati di prevedere quanta energia rotazionale perde un buco nero quando emette fasci di materia ionizzata noti come getti astrofisici. La perdita di energia è stimata in base alle misurazioni del campo magnetico di un getto. Il documento è stato pubblicato sulla rivista Frontiere nell'astronomia e nelle scienze spaziali .

Gli astrofisici hanno osservato centinaia di getti relativistici, enormi flussi di materia emessi da nuclei galattici attivi che ospitano buchi neri supermassicci. La materia in un getto è accelerata quasi alla velocità della luce, da qui il termine "relativistico". I getti sono colossali, anche per gli standard astronomici:la loro lunghezza può raggiungere diversi percento del raggio della galassia ospite, o circa 300, 000 volte più grande del buco nero associato.

Detto ciò, ci sono ancora molte cose che i ricercatori non sanno sui jet. Gli astrofisici non sono nemmeno sicuri di cosa siano fatti perché le osservazioni del getto non producono righe spettrali. L'attuale consenso sostiene che i getti sono probabilmente fatti di elettroni e positroni o protoni, ma rimangono piuttosto un mistero. Man mano che i ricercatori ottengono nuovi dati, sta gradualmente emergendo un modello più completo e autoconsistente di questo fenomeno.

La materia che orbita e cade su un buco nero è chiamata disco di accrescimento. Svolge un ruolo cruciale nella formazione del getto. Un buco nero, insieme al suo disco di accrescimento e getti (fig. 1), sono ritenuti la "macchina" più efficace per convertire l'energia. Se definiamo l'efficienza di un tale sistema come il rapporto tra l'energia trasportata dai getti e l'energia della materia accumulata, può anche superare il 100%.

Tuttavia, uno sguardo più attento al sistema rivela che la seconda legge della termodinamica è ancora valida. Questa non è una macchina del moto perpetuo. Si scopre che parte dell'energia del getto proviene dalla rotazione del buco nero. Questo è, alimentando un jet, un buco nero ruota progressivamente più lentamente.

In un modo, questo apparente moto perpetuo è più simile a una bici elettrica. C'è un'apparente discrepanza tra l'energia in ingresso della materia in accrescimento:lavoro muscolare, nel caso del motociclista, e l'energia in uscita del jet, o il moto della bicicletta. In entrambi i casi, anche se, c'è un'ulteriore fonte di energia nascosta, vale a dire, la batteria che alimenta il motore elettrico della bici e la rotazione del buco nero.

per accrescimento, un buco nero guadagna momento angolare, cioè inizia a girare più velocemente. I getti portano via parte di questo momento angolare in eccesso in quella che è nota come estrazione di energia rotazionale. Effetti simili si osservano nelle giovani stelle. Durante la formazione di una stella, cattura la materia del disco di accrescimento, che ha un enorme momento angolare. Però, le osservazioni mostrano che tali stelle in realtà ruotano piuttosto lentamente. Tutti i momenti angolari mancanti vengono utilizzati per alimentare i getti stretti emessi da queste stelle.

Gli scienziati hanno recentemente sviluppato un nuovo metodo per misurare i campi magnetici nei getti emessi dai nuclei galattici attivi. Nella sua carta, l'astrofisica Elena Nokhrina ha dimostrato che questo metodo può essere utilizzato per stimare il contributo della rotazione del buco nero alla potenza del getto. Fino ad ora, la formula per la canalizzazione dell'energia rotazionale nell'energia del getto non è stata testata empiricamente. Sfortunatamente, nessuna osservazione affidabile finora ha catturato la velocità di rotazione del buco nero, che è importante per stimare la perdita di energia rotazionale.

Un buco nero non ha un proprio campo magnetico. Però, attorno ad esso viene generato un campo magnetico verticale dalla materia ionizzata nel disco di accrescimento. Per stimare la perdita di energia rotazionale da parte di un buco nero, gli scienziati devono trovare il flusso magnetico attraverso il confine attorno a un buco nero noto come orizzonte degli eventi.

"Poiché il flusso magnetico si conserva, misurando la sua grandezza nel getto, impariamo anche il flusso magnetico vicino al buco nero. Conoscendo la massa del buco nero, possiamo calcolare la distanza dal suo asse di rotazione all'orizzonte degli eventi, il suo confine teorico. Questo ci permette di stimare la differenza di potenziale elettrico tra l'asse di rotazione e il confine del buco nero. Tenendo conto dello screening del campo elettrico nel plasma, è possibile trovare la corrente elettrica vicino al buco nero. Conoscendo sia la corrente che la differenza di potenziale, possiamo stimare la quantità di energia persa dal buco nero a causa del rallentamento della sua rotazione, " dice Elena Nokhrina, l'autore dell'articolo e vicedirettore del laboratorio di astrofisica relativistica del MIPT.

The calculations point toward a correlation between the total power of a jet emitted by a black hole and the loss of rotational energy by the black hole. In particolare, this study makes use of a recent model of jet structure (fig. 2). Before this model was advanced, researchers assumed jets to have homogeneous transverse structure, which is a simplification. In the new model, the magnetic field of a jet is not homogeneous, enabling more accurate predictions.

Most of the galaxies hosting jets are too remote for the transverse structure of their magnetic fields to be discerned. So the experimentally measured magnetic field is compared with its model transverse structure to estimate the magnitude of the field's components. Only by taking transverse structure into account is it possible to test the mechanism of black hole rotation powering jets. Otherwise, it would be necessary to know the rotation rate.

The hypothesis that was put to the test in the study states that jet power depends on the magnetic flux and the rotation rate of the black hole. This makes it possible to gauge to what extent a jet is powered by rotational energy. In particolare, this theoretical work enables us to estimate how much rotational energy is lost by a black hole without knowing its rotation rate—using only the magnetic field measurements of the jet.