역설적이게도, 빛과 물질을 삼키는 악명 높은 블랙홀은 비할 데없는 힘과 효율성으로 빛과 물질을 외부로 분출합니다. 그들은 수천 광년을 우주로 확장하는 제트라고 불리는 얇은 플라즈마 빔에 전력을 공급하여 우주 전체에서 볼 수있는 빛나는 선분을 형성합니다.

물리학 자들은 물질이 들어가는 이유를 알고 있습니다. 블랙홀은 중력이 너무 커서 빛조차 가두어 보이지 않는 영역으로가립니다. 그러나 왜 많은 블랙홀의 가장자리에서 제트가 튀어 나오는지 이해하기가 훨씬 더 어려워졌습니다. "우주에서 가장 큰 미스터리 중 하나는 블랙홀이 제트를 발사하는 방법입니다." 사라 이사 운, 네덜란드 Radboud University의 천체 물리학 자.

이제 블랙홀 관찰 이벤트 호라이즌 망원경 (EHT) 팀에서 Issaoun과 그녀의 동료들의 작업을 통해 수수께끼가 풀리기 시작했습니다. 몇 주 전에 EHT 두 번째 블랙홀 사진 공개 — 2019 년에 어둠으로 움푹 패인 같은 불 같은 고리의 또 다른 모습. 두 이미지 모두 거대한 제트가 프레임 밖으로 떠오르는 은하 M87의 중심에있는 초 거대 블랙홀 주변의 빛나는 플라즈마를 보여줍니다. 첫 번째 사진과 달리 새 이미지의 링에는 줄무늬가있어 빛이 강하게 편광되었음을 나타냅니다.

전문가들은 줄무늬의 나선형 패턴이 M87 블랙홀 주변의 강하고 질서 정연한 자기장에서 비롯되며 이는 Blandford로 알려진 44 년 된 인기있는 제트 발사 이론에 찬성하는 최초의 중요한 경험적 증거라고 말합니다. -Znajek 프로세스.

로저 블랜드 포드 과 로만 자젝1977 년 캠브리지 대학의 젊은 물리학 자들, 논쟁하는 회전하는 초 거대 질량 블랙홀은 주변 자기장을 단단한 나선으로 비틀고이 비틀림은 구멍에서 나선을 따라 에너지를 끌어 올리는 전압을 생성합니다. 그들은 이것이 제트기이며 블랙홀을 벗어나는 것은 아무것도 없다는 순진한 개념에 큰 별표라고 주장했다.

당시 프로세스의 모든 요소는 추측에 불과했지만 새로운 관찰 결과 Blandford-Znajek 아이디어가 확인되었습니다. 편광 측정 분석에 참여한 Issaoun은“이미지에서 볼 수있는 것은 나선 모양의 정렬 된 편광입니다. "그리고 자기장의 모양도 나선형입니다. 이것은 제트를 발사 할 수 있다는 것을 의미합니다."

지금은 은퇴 한 케임브리지 시의원 인 Znajek가 이메일로 말했다.

더욱이, 새로운 관찰은 MAD 및 SANE 제트 발사 시나리오로 알려진 최근 수십 년 동안 수백 개의 컴퓨터 시뮬레이션에서 개발 및 탐색 된 Blandford-Znajek 프로세스의 두 경쟁 버전 중 하나를 지적합니다. 이러한 경쟁 아이디어는 블랙홀의 환경, 특히 자기장의 기원과 강도에 대한 반대되는 그림을 그립니다.

약한 필드를 가정하는 SANE 모델은 오랫동안 더 그럴듯한 것으로 간주되었습니다. 그러나 Event Horizon Telescope의 새로운 사진에서 강하게 편광 된 빛은 강한 자기장을 가리 키므로 MAD 버전의 사건을 가리 킵니다. 새로운 이미지는 "MAD 모델을 매우 선호하는 것 같습니다"라고 말했습니다. 알렉산더 첸, 콜로라도 대학의 이론 천체 물리학 자이며 EHT에 속하지 않습니다.

블랙홀 제트와 우주에서의 역할에 대해 알아낼 것이 더 많습니다. MAD 시나리오의 여러 요소에 대한 의견은 서로 다르며 MAD는 연구원들이 차세대 시뮬레이션에서 탐구하고있는 많은 질문에 답이 없습니다. 그동안 그들은 여전히 ​​경외심을 가지고 있습니다.

Issaoun은“M87의 블랙홀은 우리 태양계의 크기와 비슷하지만 5,000 광년 길이의 백열 플라즈마 전류를 생성합니다. 그것은 마치 자유의 여신상이 대리석에서 튀어 나오는 것과 같습니다. 매초 약 3 조 조조 줄의 에너지가 제트기 위로 흐르고 있습니다. 이는 전체 인류가 500 년 동안 연소하는 것보다 XNUMX 조배 더 많은 에너지입니다. "어떻게 이렇게 작은 것이 그렇게 강력 할 수 있겠습니까?"

태엽 나선

M87의 제트기는 처음으로 발견되었습니다. Heber Curtis는 1918 년에 이것을 관찰했습니다. 60 년 후 Curtis가 우리 은하계를 넘어선 은하로 식별하는 데 도움이 된 흐릿한 빛의 중심에서 나오는“호기심 많은 직선 광선”입니다. 블랙홀의 이론적 가능성-그렇지 않으면 매끄러운 시공간 구조에 걸림돌이된다-겨우 XNUMX 년 전에 상상되었지만 Blandford와 Znajek이 블랙홀을 제트에 연결하는 데는 XNUMX 년이 걸릴 것입니다.

그들은 블랙홀이 공중에 떠있는 1970 년대에 캠브리지에서 박사후 연구원이자 대학원생이었습니다. Stephen Hawking은 복도 바로 아래에서 일했습니다. Roger Penrose는 런던에 있었고 결국 블랙홀 이론을 그에게 2020 년 노벨 물리학상 수상. 천문학 자들은 또한 블랙홀을 심각하게 받아들이 기 시작했고, 관찰 결과 X 선 소스 인 Cygnus X-1이 그러한 물체라는 것을 암시했습니다.

Blandford와 Znajek은 먼 은하의 양쪽에 앉아있는 크고 밝고 전파를 방출하는 덩어리 인 소위 이중 전파 소스라는 수수께끼의 과다에 초점을 맞추 었습니다. 이것이 무엇인지에 대한 이론이 풍부했습니다. 블랙홀의 영향권에 잠긴 블랜드 포드와 즈 나젝은 초기에 정답으로 개종했다.이 얼룩은 은하 중심의 큰 블랙홀에서 반대 방향으로 튀어 나온 제트기 끝에서 분출되었다.

천체 물리학 자들은 결국 확인하다 초 거대 질량 블랙홀은 사실 은하를 고정시키는 역할을하지만, 당시 Blandford와 Znajek은 블랙홀의 존재뿐만 아니라 제트 생성 능력에 대해서도 추측하고있었습니다. “기본적인 문제는 전원이 필요하다는 것입니다.”현재 스탠포드 대학의 교수 인 블랜드 포드는 화상 통화에서 말했다.

미국의 물리학자인 Roy Kerr는 1963 년에 회전하는 블랙홀에 대한 방정식을 풀었고, 그 구멍이 보이지 않게 회전하면서 시공간의 구조를 끌어 당긴다는 것을 보여주었습니다. 그런 다음 Roger Penrose는 회전하는 블랙홀이 느려질 수 있으며 그렇게함으로써 회전 에너지를 다른 것으로 변환 할 수 있음을 증명했습니다. Blandford는 "우리 둘 다 펜로즈 과정을 이해했습니다."블랙홀이 "그랬던 것처럼 단방향 막이 아닙니다. 스핀 에너지를 추출 할 수 있습니다. 우리는 전자기장으로이를 수행하는 방법을 보여주었습니다.”

그들은 거대한 중력 때문에 은하 중심에있는 커다란 블랙홀이 많은 양의 성간 가스를 끌어들일 것이라는 것을 알고있었습니다. 가스는 블랙홀쪽으로 떨어지고 그 주위를 회전하여 "증착 디스크"를 형성합니다. 가스는 가열되어 결국 원자가 전자를 잃게되어 자기장을 운반하는 플라즈마를 생성합니다.

Kerr의 방정식을 사용하여 Blandford와 Znajek은 부착 디스크의 자기장 선이 회전하는 구멍으로 떨어지면 블랙홀의 회전이 필드 선을 구멍의 회전 축을 따라 향하는 나선으로 감을 것임을 보여주었습니다. 움직이는 자기장은 전압을 생성하므로 전자와 양전자의 전류가 블랙홀에서 양방향으로 나선을 통해 흐르기 시작합니다. 이것은 제트기입니다.

1977 년에 Blandford와 Znajek의 제트 발사 제안은 서류상으로 작동하는 것처럼 보였다. Chen은 "이런 일이 일어날 수 있다고 제안하는 것만으로도 큰 진전을 이루었습니다."라고 말했습니다. 그러나 그것이 사실인지 아무도 몰랐습니다.

질서와 혼돈

80 년대와 90 년대에 컴퓨팅 성능이 향상됨에 따라 사람들은 시뮬레이션에서 Blandford-Znajek 프로세스를 사용하게되었습니다. 그러나 회전하는 블랙홀, 자기장, 빛 및 부착 디스크의 물질과 같은 모든 성분은 가변적이었고 아무도 올바른 레시피를 알지 못했습니다.

2000 년대에 두 종류의 컴퓨터 시뮬레이션, 즉 부착 디스크가 쇼를 실행하는 모델과 자기장이 지배하는 모델간에 이분법이 개발되었습니다.

처음에 80 년대에 연구자들은 시뮬레이션에서 부착 디스크를 약간 자화 시켰습니다. 나중에 "안정적이고 정상적인 진화"를 의미하는 SANE라고 불리는이 모델에서 플라즈마는 배수구 주변의 물처럼 블랙홀 주위를 소용돌이 치며 약하고 무작위로 방향을 바꾸는 자기장 선이 함께 소용돌이칩니다. 필드의 난류는 입자가 충돌하고 에너지와 각운동량을 잃게하여 그 주위를 공전하는 것이 아니라 블랙홀로 떨어질 수있게합니다. 플라즈마가 떨어지면 약한 자기장 선이 구멍에 전달됩니다. 필드 라인은 점차적으로 축적되고 플라즈마 유입에 의해 유지됩니다. 결국 블랙홀은 제트기를 발사 할 수있을만큼 얽힌이 얽힌 필드를 뒤 틀었습니다.

1990 년대 후반에 연구자들은 라 메쉬 나라 얀 하버드 대학의 교수는 무슨 일이 일어나는지보기 위해 시뮬레이션 된 블랙홀 주변의 자기장 강도를 높이기 시작했습니다. 이 물리학 자들은 장이 충분히 강할 때 난류가 아닌 일관되게되고 다른 방향이 아닌 부착 디스크를 제어한다는 것을 발견했습니다. 자기장 라인은 블랙홀 주위에 문자 그대로 힘장을 형성하여 제트의 슬리브 역할을하면서 플라즈마가 구멍에 떨어지는 것을 방지합니다. 물질은 때때로 구멍을 발견하고, 갑자기 자기 장벽을 뚫고 들어와 심연으로 미끄러집니다. 그러나 대부분의 경우 디스크는 제자리에 잠겨 있습니다. 이러한 시뮬레이션은 "자기 정지 디스크"또는 MAD 모델로 알려졌습니다.

"오랫동안 사람들은 SANE 시나리오가 더 자연 스럽다고 생각했습니다." 앤드류 채엘, Princeton University의 물리학 자이자 MAD 모델을 전문으로하는 EHT 팀의 일원입니다. 멀리서 블랙홀을 향해 떠오르는 뜨거운 가스는“일관된 방식으로 떨어지지 않는다”고 그는 말했다. 그래서 자기가 가스와 함께 안쪽으로 이동하여 질서 있고 강한 무언가로 결합 될 것이라고 기대할 이유가 없다고 그는 말했다. "XNUMX 년 전만해도 모두가 SANE 시뮬레이션을 수행했습니다."라고 Chael은 말했습니다.

그러나 이벤트 호라이즌 망원경의 새로운 M87 블랙홀의 편광 이미지는 MAD 방향을 단단히 가리 킵니다. 편광 된 빛은 일반적으로 표면에서 반사 된 후 또는 자기장에서 경로가 균일하게 구부러지는 하전 입자에 의해 방출 될 때 단일 평면에서 진동합니다. 사진의 나선형 패턴은 빛을 방사하는 입자가 자체적으로 일관된 나선형 패턴을 갖는 자기장 선을 따라 회전하는 경우 예상대로 링 주변의 다른 위치를 볼 때 빛의 진동 평면이 회전한다는 것을 전달합니다.

전문가들은 미약하고 격렬한 필드가있는 SANE 상황은 훨씬 더 약한 편광 패턴을 만들 것이라고 말했다. 그대로이 지역 전체의 장은 강하다. 냉장고 자석의 절반만큼 강하다고 Issaoun은 말했다. "그러나 그것은 또한 태양계의 크기이기도합니다."

직선 경로

M87 구멍 (및 잠재적으로 제트가있는 다른 모든 초대형 블랙홀) 주변의 기이하게 강한 자기장의 기원을 이해하기 위해 전문가는 먼저 줄무늬 편광 패턴의 코드를 해독해야합니다. “현재 사람들은 리버스 엔지니어링을 통해 필드가 어떻게 생겼는지 추론하기 위해 매우 열심히 노력하고 있습니다.

한편, 다른 연구자들은 MAD 상황을 축소하기 시작했습니다. 그들은 더 큰 영역 시뮬레이션 별이 중심으로 이동하는 자기장을 생성하는 방법을 연구하기 위해 블랙홀 주변. "이 [자기]를 더 ​​큰 규모로 연결하는 것은 향후 몇 년 동안 정말 큰 일이 될 것입니다."라고 Chael은 말했습니다.

정반대의 접근 방식을 취하면, 젊은 연구자 트리오 — 사샤 필리포 프, 베누아 세루티 과 카일 파 프리 — 제트를 쏘아 올리는 하전 입자를 확대하고 있습니다. 그들의 상세한 입자 수준 시뮬레이션수백만 CPU 시간이 소요되는, 입자는 대부분 블랙홀의 극 위의 광자 충돌로 인해 발생하여 구멍에서 에너지를 훔쳐 나가는 것으로 나타났습니다.

입자를 연구하는 것은 제트의 전체 구조와 이들이 관통하는 은하와 은하 간 공간에 미치는 영향을 파악하는 데 필요할 수 있습니다. 많은 제트기는 길이를 따라 얇고 밝습니다. “어떻게 빛나나요? 우리는 그것을 어떻게 봅니까?” Chen이 궁금해합니다. M87의 제트기의 경우“우리는 하늘에서 매우 선명하게 볼 수 있습니다. 때로는 매듭으로 부서지고 때로는 연속적이지만 매우 똑 바르고 얇습니다. 이를 이해하면 은하계 및 은하계 매체와 상호 작용하는 방식, 예를 들어 에너지를 은하계로 전달하는 방식을 이해하는 데 도움이 될 것입니다.”

EHT 협력은 계속해서 이러한 노력을 이끌 것입니다. 올해 말까지 그들은 우리 은하의 중심에있는 블랙홀, 즉 희미한 제트가있을 수도 있고 없을 수도있는 궁수 자리 A *라고 불리는 조용한 짐승을 공개 할 계획입니다. M87의 블랙홀에 대한 후속 관찰은 그 구멍의 환경이 시간에 따라 어떻게 변하는 지 보여 주므로 회전 속도가 제한됩니다.

블랙홀 제트에 대한 이야기가 쓰여지더라도 물리학 자들의 경이로움은 지금까지 줄어들지 않은 것 같습니다. "이 제트기를 봐야만합니다."Blandford는 계속해서 이론화하고 있습니다. “그것들은 완전히 똑 바른 것들입니다. 그것들 중 일부는 하늘의 선과 같습니다. … 자연이 이러한 구조를 만들 수 있다는 것은 놀랍습니다. 네, 감명 받았습니다.”