Les astrophysiciens de Princeton dévoilent le mystère des jets à trous noirs et des « sabres laser » galactiques

Une équipe d'astrophysiciens de l'Université de Princeton a pu déterminer de manière concluante que l'énergie est proche de celle-là. Le trou noir M87* pousse vers l’extérieur, pas vers l’intérieur, ce qui constitue un débat de longue date dans ce domaine.

La seule chose que tout le monde sait à propos des trous noirs, c’est que tout ce qui se trouve à proximité y est aspiré.

à peine Il s'avère que c'est tout.

Elliot Quataert, astrophysicien et Charles A. Jeune professeur d'astronomie à l'Université de Princeton : « Bien que les trous noirs soient connus comme des objets dont rien ne peut s'échapper, l'une des prédictions surprenantes de la théorie de la relativité d'Einstein est que les trous noirs peuvent en réalité perdre de l'énergie. » Lot de la Fondation 1897. « Il peut tourner, et tout comme une toupie ralentit avec le temps et perd cette énergie en tournant, un trou noir en rotation peut également perdre de l'énergie dans son environnement. »

Ce modèle a été largement accepté par les chercheurs depuis les années 1970. Ils savaient que les champs magnétiques pouvaient extraire l’énergie des trous noirs en rotation, mais ils ne savaient pas comment.

Une équipe d'astrophysiciens de l'Université de Princeton a déterminé de manière concluante que l'énergie proche de l'horizon des événements du trou noir M87* se précipite vers l'extérieur et non vers l'intérieur. (M87 est le nom de la galaxie, Messier 87, donc le trou noir en son centre s'appelle M87*.) Quatert a déclaré que les chercheurs ont également conçu un moyen de tester la prédiction selon laquelle les trous noirs perdent de l'énergie de rotation, et de prouver que c'est le cas. énergie qui produit les « flux incroyablement puissants ». Que nous voyons et que nous appelons des jets. »

Une animation montrant comment le champ magnétique traversant l'horizon des événements du trou noir est tordu à mesure que le trou noir tourne plus vite. Un trou noir qui tourne plus rapidement fait tourner le champ magnétique plus rapidement, ce qui fait que le trou noir perd plus d'énergie au profit de son environnement. Une équipe d'astrophysiciens de l'Université de Princeton a observé l'enroulement des lignes de champ magnétique dans les images du télescope Event Horizon de la polarisation linéaire des trous noirs. Crédit : Vidéo de George Wong, Institute for Advanced Study université de Princeton

Ces jets de flux d’énergie sont « fondamentalement comme un million deAnnée-lumière« Les sabres laser longs peuvent s'étendre 10 fois plus longtemps qu'un sabre laser Jedi », explique Alexandru Lobsaska, ancien chercheur postdoctoral à l'Université de Princeton. Voie Lactée galaxie.

Les résultats de leurs travaux ont été récemment publiés dans le Journal d'astrophysique. Andrew Chell, chercheur associé en astrophysique, est le premier auteur de cet article. Lui et le co-auteur George Wong sont tous deux membres de Télescope à horizon des événements Ils ont joué un rôle crucial dans le développement des modèles utilisés pour expliquer les trous noirs. Chael, Wong, Lobsaska et Quataert sont tous des théoriciens affiliés à Initiative gravitationnelle de Princeton.

L’équipe a attribué à Schell l’idée essentielle au cœur du nouvel article : la direction dans laquelle les lignes du champ magnétique montent révèle la direction du flux d’énergie. À partir de là, « le reste s’est mis en place », a déclaré Quataert.

Le trou noir M87* (le signe astrologique du trou noir au centre de la galaxie M87) a attiré l'attention du monde entier lorsqu'il a été découvert pour la première fois par le télescope Event Horizon. Depuis lors, les astrophysiciens de l’Université de Princeton ont découvert que la torsion du champ magnétique autour du trou noir détermine le vortex de polarisation observé dans les images du trou noir. En particulier, la direction du flux d'énergie (du trou au champ ou vice versa) détermine la manière dont la polarisation est enveloppée. En mesurant la direction dans laquelle la polarisation se tord, on peut déduire si le champ magnétique extrait l'énergie de spin du trou ou y injecte de l'énergie de spin. Source de l'image : Modèle d'Andrew Chell, George Wong, Alexandru Lobsaska et Elliot Quataert, Princeton Gravity Initiative

« Si vous preniez la Terre et la transformiez en TNT et que vous la faisiez exploser 1 000 fois par seconde pendant des millions et des millions d'années, c'est la quantité d'énergie que nous retirerions de M87 », a déclaré Wong, chercheur associé à l'Université Harvard. . Princeton Gravity Initiative et membre de l'Institute for Advanced Study.

Les scientifiques savent depuis des décennies que lorsqu’un trou noir commence à tourner, il entraîne avec lui le tissu de l’espace-temps. Les lignes de champ magnétique traversant le trou noir sont tirées, ralentissant la rotation et libérant de l'énergie.

« Notre nouvelle prédiction précise est que chaque fois que vous regardez un trou noir astrophysique, si des lignes de champ magnétique lui sont attachées, il y aura un transfert d'énergie – des quantités vraiment folles de transfert d'énergie », a déclaré Lobsaska, ancien associé de recherche à l'UCLA. . Princeton et est maintenant professeur adjoint de physique et de mathématiques à l'Université Vanderbilt, pour laquelle il a remporté un prix Prix ​​Nouvelles Frontières en Physique 2024 Du Foundation Breakthrough Award pour ses recherches sur les trous noirs.

Alors que le flux d'énergie près de l'horizon des événements de M87* est dirigé vers l'extérieur, l'équipe a déclaré que le flux d'énergie pourrait théoriquement être dirigé vers l'intérieur, dans un trou noir différent. Ils sont sûrs de leur lien entre le flux d'énergie et la direction des lignes de champ magnétique, et leur prédiction selon laquelle le flux d'énergie provient du trou noir sera testée avec le lancement du « encore théorique »La prochaine génération« Télescope Horizon des événements.

Depuis un an et demi, les chercheurs sur les trous noirs du monde entier proposent des spécifications pour le futur instrument, a déclaré Wong. « Les documents de recherche comme le nôtre peuvent jouer un rôle crucial pour déterminer ce dont nous avons besoin. Je pense que c'est une période très excitante. »

Les quatre chercheurs soulignent dans leur article qu’ils n’ont pas démontré de manière concluante que la rotation du trou noir « alimente réellement des jets extragalactiques », bien que les preuves penchent certainement dans cette direction. Bien que les niveaux de puissance indiqués par leur modèle correspondent aux besoins de l'avion, ils ne peuvent pas exclure la possibilité que l'avion soit propulsé par une vrille. plasma En dehors du trou noir. « Je pense qu'il est très probable que le trou noir soit la source d'énergie de l'avion, mais nous ne pouvons pas le prouver », a déclaré Lobsaška. « Jusqu'ici. »

Référence : « Mesurage de la polarisation du trou noir I. Signature de l'extraction d'énergie électromagnétique » par Andrew Chell, Alexandru Lobsaska, George N. Wong et Elliot Quataert, 14 novembre 2023, Journal d'astrophysique.
est ce que je: 10.3847/1538-4357/acf92d

La recherche a été soutenue par la Princeton Gravity Initiative, une bourse Taplin, la National Science Foundation (Grant No. 2307888) et un prix de chercheur de la Fondation Simons.