Astrofísicos de Princeton desentrañan el misterio de los chorros de agujeros negros y los ‘sables de luz’ galácticos

Un equipo de astrofísicos de la Universidad de Princeton ha podido determinar de manera concluyente que la energía es cercana a esa Agujero negro M87* empuja hacia afuera, no hacia adentro, lo cual es un debate de larga data dentro del campo.

Lo único que todo el mundo sabe sobre los agujeros negros es que todo lo que está cerca de ellos es absorbido por ellos.

apenas Resulta que todo.

Elliot Quataert, astrofísico y Charles A. Joven profesor de Astronomía en la Universidad de Princeton: “Aunque los agujeros negros son conocidos como objetos de los que nada puede escapar, una de las sorprendentes predicciones de la teoría de la relatividad de Einstein es que los agujeros negros pueden perder energía”. Lote de la Fundación 1897. “Puede girar, y así como una peonza se ralentiza con el tiempo y pierde esa energía a medida que gira, un agujero negro en rotación también puede perder energía en su entorno”.

Este modelo ha sido ampliamente aceptado por los académicos desde la década de 1970. Sabían que los campos magnéticos podrían extraer energía de los agujeros negros en rotación, pero no sabían cómo.

Un equipo de astrofísicos de la Universidad de Princeton ha determinado de manera concluyente que la energía cerca del horizonte de sucesos del agujero negro M87* se precipita hacia afuera, no hacia adentro. (M87 es el nombre de la galaxia, Messier 87, por lo que el agujero negro en su centro se llama M87*.) Quatert dijo que los investigadores también idearon una forma de probar la predicción de que los agujeros negros pierden energía de rotación, y para demostrarlo es que energía que produce los “increíblemente poderosos flujos de salida” que vemos y que llamamos chorros.

Una animación que muestra cómo el campo magnético que cruza el horizonte de sucesos del agujero negro se tuerce a medida que el agujero negro gira más rápido. Un agujero negro que gira más rápido hace girar el campo magnético más rápidamente, lo que hace que el agujero negro pierda más energía en su entorno. Un equipo de astrofísicos de la Universidad de Princeton observó líneas envolventes de campo magnético en imágenes del Telescopio Event Horizon de polarización lineal de agujeros negros. Crédito: Vídeo de George Wong, Instituto de Estudios Avanzados Universidad de Princeton

Estos chorros de flujo de energía son «básicamente como un millón deAño luz«Los sables de luz largos pueden extenderse 10 veces más que un sable de luz Jedi», dice Alexandru Lobsaska, ex investigador postdoctoral en la Universidad de Princeton. vía Láctea galaxia.

Los resultados de su trabajo fueron publicados recientemente en el Diario astrofísico. Andrew Chell, investigador asociado en astrofísica, es el primer autor de este artículo. Él y el coautor George Wong son miembros de Telescopio del horizonte de sucesos Desempeñaron un papel crucial en el desarrollo de los modelos utilizados para explicar los agujeros negros. Chael, Wong, Lobsaska y Quataert son todos teóricos afiliados a Iniciativa de gravedad de Princeton.

El equipo le dio crédito a Schell por la idea vital que se encuentra en el centro del nuevo artículo: que la dirección en la que ascienden las líneas del campo magnético revela la dirección del flujo de energía. A partir de ahí, “el resto fue encajando”, dijo Quataert.

El agujero negro M87* (el signo estelar del agujero negro en el centro de la galaxia M87) captó la atención del mundo cuando fue descubierto por primera vez por el Telescopio Horizonte de Sucesos. Desde entonces, los astrofísicos de la Universidad de Princeton han descubierto que el campo magnético giratorio alrededor del agujero negro determina el vórtice de polarización observado en las imágenes del agujero negro. En particular, la dirección del flujo de energía (del agujero al campo o viceversa) determina cómo se envuelve la polarización. Al medir la dirección en la que gira la polarización, se puede inferir si el campo magnético está extrayendo energía de espín del agujero o inyectando energía de espín en él. Fuente de la imagen: Modelo de Andrew Chell, George Wong, Alexandru Lobsaska y Elliot Quataert, Princeton Gravity Initiative

«Si tomamos la Tierra y la convertimos toda en TNT y la explotamos 1.000 veces por segundo durante millones y millones de años, esa es la cantidad de energía que obtendríamos de M87», dijo Wong, investigador asociado de la Universidad de Harvard. . Princeton Gravity Initiative y miembro del Instituto de Estudios Avanzados.

Los científicos saben desde hace décadas que cuando un agujero negro comienza a girar, arrastra consigo el tejido del espacio-tiempo. Las líneas del campo magnético que pasan a través del agujero negro son tiradas, lo que ralentiza la rotación y libera energía.

«Nuestra nueva y clara predicción es que cada vez que miras un agujero negro astrofísico, si tiene líneas de campo magnético adjuntas, habrá transferencia de energía: cantidades realmente locas de transferencia de energía», dijo Lobsaska, ex investigador asociado de UCLA. . Princeton y ahora es profesor asistente de física y matemáticas en la Universidad de Vanderbilt, por lo que ganó un premio. Premio Nuevas Fronteras en Física 2024 Del premio Foundation Breakthrough Award por su investigación sobre los agujeros negros.

Si bien el flujo de energía cerca del horizonte de sucesos de M87* se dirige hacia afuera, el equipo dijo que, en teoría, el flujo de energía podría dirigirse hacia adentro, a un agujero negro diferente. Confían en su conexión entre el flujo de energía y la dirección de las líneas del campo magnético, y su predicción de que el flujo de energía proviene del agujero negro será puesta a prueba con el lanzamiento del «aún teórico»próxima generación“Telescopio del Horizonte de Sucesos.

Durante el último año y medio, investigadores de agujeros negros de todo el mundo han estado proponiendo especificaciones para el futuro instrumento, dijo Wong. «Los artículos de investigación como el nuestro pueden desempeñar un papel crucial a la hora de determinar lo que necesitamos. Creo que este es un momento muy emocionante».

Los cuatro investigadores enfatizaron en su artículo que no han demostrado de manera concluyente que la rotación del agujero negro «realmente impulse chorros extragalácticos», aunque la evidencia ciertamente se inclina en esa dirección. Aunque los niveles de potencia que muestra su modelo son acordes con lo que necesita el avión, no pueden descartar la posibilidad de que el avión sea propulsado por un giro. plasma Fuera del agujero negro. «Creo que es muy probable que el agujero negro sea la fuente de energía del avión, pero no podemos demostrarlo», dijo Lobsaška. «hasta ahora.»

Referencia: “Medición de la polarización de un agujero negro I. Firma de extracción de energía electromagnética” por Andrew Chell, Alexandru Lobsaska y George N. Wong, Elliot Quataert, 14 de noviembre de 2023, Diario astrofísico.
doi: 10.3847/1538-4357/acf92d

Esta investigación fue apoyada por la Princeton Gravity Initiative, una beca Taplin, la National Science Foundation (subvención n.º 2307888) y un premio al investigador de la Simons Foundation.