Mustat aukot ovat mielenkiintoisimpia ja kauhistuttavimpia luonnon voimia. Ne ovat myös yksi salaperäisimmistä, koska tavanomaisen fysiikan säännöt hajoavat heidän läsnäollessaan. Vuosikymmenien tutkimuksista ja havainnoista huolimatta emme vielä tiedä niistä paljon. Itse asiassa, viime aikoihin asti, tähtitieteilijät eivät ole koskaan nähneet kuvaa mustasta reiästä eivätkä pystyneet ohjaamaan massaansa.
Fysiikan ryhmä Moskovan fysiikan ja tekniikan instituutista (MIPT) ilmoitti kuitenkin hiljattain, että he ovat suunnitelleet tavan mitata epäsuorasti mustan aukon massa ja samalla vahvistaa sen olemassaolon. Äskettäisessä tutkimuksessa he osoittivat, kuinka he testasivat tätä menetelmää äskettäin kuvannetussa supermassiivisessa mustassa aukossa Messier 87 -aktiivisen galaksin keskellä.
Tutkimus ilmestyi Kuukausittaiset ilmoitukset Royal Astronomical Society -tapahtumasta. MIPT: n tutkijoiden lisäksi ryhmään kuuluivat jäsenet Alankomaissa sijaitsevasta VLBI ERIC: n yhteisestä instituutista (JIVE), Academia Sinican Taiwanin tähtitieteen ja astrofysiikan instituutista ja NOAJ: n Mizusawan VLBI-observatoriosta Japanissa.
Tähtitieteilijät ovat vuosikymmenien ajan tienneet, että useimpien massiivisten galaksien keskellä on supermassiivinen musta aukko (SMBH). Tämän SMBH: n läsnäolo johtaa huomattavaan määrään aktiivisuutta ytimessä, jossa kaasu ja pöly putoavat lisääntymislevyyn ja kiihtyvät nopeuteen, joka saa ne säteilemään valoa, samoin kuin radio, mikroaalto, röntgen ja gamma- säteen säteily.
Joidenkin galaksien ydinalueen tuottaman säteilyn määrä on niin kirkas, että se todella voittaa valon, joka tulee kaikista levyllä olevista tähtiistä yhdessä. Näitä kutsutaan aktiivisen galaktisen ytimen (AGN) galakseiksi, koska niissä on aktiivisia ytimiä ja muut galaksit ovat suhteellisen ”hiljaisia”. Toinen ilmaisimen tunniste siitä, että galaksi on aktiivinen, ovat ylikuumennetun aineen pitkät säteet, jotka ulottuvat.
Nämä "relativistiset suihkut", jotka voivat ulottua miljooniksi valovuosiksi ulospäin, ovat niin kutsuttuja, koska niissä oleva materiaali kiihdytetään murto-osaan valon nopeudesta. Vaikka näitä suihkuja ei vielä täysin ymmärretä, nykyinen yksimielisyys on, että ne syntyy tietystä ”moottorivaikutuksesta”, jonka aiheuttaa nopeasti pyörivä SMBH.
Hyvä esimerkki relativistisella suihkulla varustetusta aktiivisesta galaksista on Messier 87 (alias. Virgo A), supergiantinen galaksi, joka sijaitsee Neitsyt Constellation -suunnassa. Tämä galaksi on maapallolle lähinnä aktiivinen galaksi, ja siksi yksi parhaiten tutkituista. Alun perin vuonna 1781 Charles Messier (joka vääristi sitä sumulle) on tutkittu sitä säännöllisesti siitä lähtien. Vuoteen 1918 mennessä sen optisesta suihkusta tuli ensimmäinen laatuaan havaittu.
Läheisyytensä ansiosta tähtitieteilijät ovat voineet tutkia Messier 87: n suihkun huolellisesti - kartoittamalla sen rakenteen ja plasmanopeudet sekä mittaamalla lämpötilat ja hiukkastiheydet suihkun virtauksen lähellä. Suihkukoneen rajat on tutkittu yksityiskohtaisesti, ja tutkijat havaitsivat sen olevan homogeeninen koko pituudeltaan ja muuttanut muotoaan, mitä kauempana se jatkui (siirtyen parabolisesta kartiomaiseksi).
Kaikki nämä havainnot ovat antaneet tähtitieteilijöille mahdollisuuden testata hypoteeseja aktiivisten galaksien rakenteesta ja suihkun muodon muutosten ja galaktisen ytimen mustan aukon vaikutuksen välisestä suhteesta. Tässä tapauksessa kansainvälinen tutkimusryhmä käytti hyväkseen tätä suhdetta ja määrittääkseen M87s SMBH: n massan.
Ryhmä luottaa myös teoreettisiin malleihin, jotka ennustavat suihkun murtumisen, mikä antoi heille mahdollisuuden luoda malli, jossa SMBH: n massa toistaisi tarkasti M87: n suihkun havaitun muodon. Mittaamalla suihkun leveyttä sekä ytimen ja sen muodon murtuman välistä etäisyyttä he havaitsivat myös, että M87: n suihkureuna koostuu kahdesta segmentistä, joilla on kaksi erottuvaa käyrää.
Loppujen lopuksi teoreettisten mallien, havaintojen ja tietokonelaskelmien yhdistelmä antoi joukkueelle mahdollisuuden saada epäsuora mittaus mustan aukon massasta ja linkousnopeudesta. Tämä tutkimus ei vain tarjoa uutta mallia mustien aukkojen arvioimiseksi ja uutta mittausmenetelmää suihkukoneille, vaan vahvistaa myös suihkujen rakenteen taustalla olevat hypoteesit
Pohjimmiltaan joukkueen tulokset kuvaavat suihkun magnetoidun nestevirtauksena, jossa muodon määrää siinä oleva sähkömagneettinen kenttä. Tämä puolestaan on riippuvaisia asioita, kuten suihkumahiukkasten nopeus ja varaus, suihkussa oleva sähkövirta ja nopeus, jolla SMBH kerää ainetta ympäröivältä levyltä.
Kaikkien näiden tekijöiden vuorovaikutus on se, joka aiheuttaa havaitun murtuman suihkun muodossa, jota voidaan sitten käyttää ekstrapoloimaan SMBH: n massa ja kuinka nopeasti se pyörii. Tutkimukseen osallistuneen MIPT-laboratorion varajohtaja ja ryhmän pääkirjailija Jelena Nokhrina kuvailee menetelmää, jonka he ovat kehittäneet seuraavalla tavalla:
”Uusi riippumaton menetelmä mustien aukkojen massan ja kehruun arvioimiseksi on työn keskeinen tulos. Vaikka sen tarkkuus on verrattavissa olemassa olevien menetelmien tarkkuuteen, sillä on etuna se, että se tuo meidät lähemmäksi lopputavoitetta. Nimittäin ydin 'moottorin' parametrien hienosäätäminen ymmärtää syvemmin sen luonnetta. "
Koska hienostuneita välineitä on saatavana SMBH: n (kuten Event Horizon Telescope) ja seuraavan sukupolven avaruusteleskooppien tutkimiseen, jotka tulevat pian käyttöön, ei kestä kauaa, kun tämä uusi malli testataan perusteellisesti. Hyvä ehdokas olisi Jousimies A *, SMBH galaksissamme, jonka arvioidaan olevan 3,5 miljoonan 4,7 miljoonan aurinkomassan välillä.
Sen lisäksi, että asetetaan täsmällisempiä rajoituksia tälle massalle, tulevat havainnot voisivat myös määrittää, kuinka aktiivinen (tai passiivinen) galaksimme ydin on. Nämä ja muut mustan aukon mysteerit odottavat!
