Ce rendu illustre l'instabilité du pli magnétique dans des jets simulés rayonnant depuis le centre d'une galaxie. On pense que les jets sont associés à des trous noirs supermassifs. La ligne de champ magnétique (blanche) dans chaque jet est tordue lorsque l'objet central (trou noir) tourne. Au fur et à mesure que les jets entrent en contact avec une matière de densité plus élevée, les champs magnétiques s'accumulent et deviennent instables. Les courbures irrégulières et les asymétries des lignes de champ magnétique sont symptomatiques de l'instabilité du pli. L'instabilité dissipe les champs magnétiques en chaleur avec le changement de densité, les conduisant à devenir moins étroitement enroulés. Crédit :Berkeley Lab, Université Purdue, Nasa
Certaines des explosions les plus extrêmes observées dans l'univers sont les mystérieux jets d'énergie et de matière rayonnant du centre des galaxies à presque la vitesse de la lumière. Ces jets étroits, qui se forment généralement en paires opposées sont censés être associés à des trous noirs supermassifs et à d'autres objets exotiques, bien que les mécanismes qui les entraînent et les dissipent ne soient pas bien compris.
Maintenant, une petite équipe de chercheurs a développé des théories soutenues par des simulations 3D pour expliquer ce qui est à l'œuvre.
Trouver les causes communes des instabilités dans les jets spatiaux
"Ces jets sont notoirement difficiles à expliquer, " a déclaré Alexandre "Sacha" Tchekhovskoy, un ancien membre de la NASA Einstein qui a codirigé la nouvelle étude en tant que membre de la Division des sciences nucléaires du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du ministère de l'Énergie, et les départements d'astronomie et de physique et le centre d'astrophysique théorique de l'UC Berkeley. « Pourquoi sont-ils si stables dans certaines galaxies et dans d'autres, ils s'effondrent ? »
Jusqu'à la moitié de l'énergie des jets peut s'échapper sous forme de rayons X et de formes plus fortes de rayonnement. Les chercheurs ont montré comment deux mécanismes différents - tous deux liés à l'interaction des jets avec la matière environnante, connu sous le nom de "milieu ambiant" - servent à réduire environ la moitié de l'énergie de ces jets puissants.
"La partie passionnante de cette recherche est que nous arrivons maintenant à comprendre la gamme complète des mécanismes de dissipation qui fonctionnent dans le jet, " peu importe la taille ou le type de jet, il a dit.
Une animation montrant les instabilités du champ magnétique dans deux jets de rayonnement et de matière émis par un trou noir supermassif (au centre). Le champ magnétique (blanc) est tordu par la rotation du trou noir. Crédit :Berkeley Lab, Université Purdue
L'étude que Tchekhovskoy a co-dirigée avec les scientifiques de l'Université Purdue Rodolfo Barniol Duran et Dimitrios Giannios est publiée dans l'édition du 21 août de Avis mensuels de la Royal Astronomical Society . L'étude conclut que le milieu ambiant lui-même a beaucoup à voir avec la façon dont les jets libèrent de l'énergie.
"Nous avons enfin pu simuler des jets qui partent du trou noir et se propagent à de très grandes distances - où ils se heurtent au milieu ambiant, " dit Duran, anciennement associé de recherche postdoctoral à l'Université Purdue qui est maintenant membre du corps professoral de l'Université d'État de Californie, Sacramento.
Tchekhovskoï, qui a étudié ces jets pendant plus d'une décennie, dit qu'un effet connu sous le nom de stabilité au pliage magnétique, ce qui provoque un brusque virage en direction de certains jets, et un autre effet qui déclenche une série de chocs dans d'autres jets, semblent être les principaux mécanismes de libération d'énergie. La densité du milieu ambiant que les jets rencontrent sert de déclencheur clé pour chaque type de mécanisme de déclenchement.
"Pendant longtemps, nous avons émis l'hypothèse que les chocs et les instabilités déclenchent les spectaculaires jeux de lumière des jets. Maintenant, ces idées et modèles peuvent être jetés sur un terrain théorique beaucoup plus solide, " dit Giannios, professeur adjoint de physique et d'astronomie à Purdue.
La longueur et l'intensité des jets peuvent éclairer les propriétés de leurs trous noirs associés, tels que leur âge et leur taille et s'ils se « nourrissent » activement de la matière environnante. Les jets les plus longs s'étendent sur des millions d'années-lumière dans l'espace environnant.
"Quand on regarde les trous noirs, les premières choses que nous remarquons sont les stries centrales de ces jets. Vous pouvez faire des images de ces stries et mesurer leurs longueurs, largeurs, et des vitesses pour obtenir des informations depuis le centre même du trou noir, " a noté Tchekhovskoy. " Les trous noirs ont tendance à se nourrir par frénésie de dizaines et de centaines de millions d'années. Ces jets sont comme les « rots » des trous noirs – ils sont déterminés par le régime alimentaire des trous noirs et la fréquence d'alimentation."
Cette animation montre la propagation d'un jet de rayonnement de haute énergie et de matière à partir d'un trou noir (à la base de l'animation) dans une simulation, à quatre moments différents. Les images montrent ce qui se passe lorsque le jet entre en contact avec une matière plus dense lorsqu'il atteint l'espace environnant. Crédit :Berkeley Lab, Université Purdue
Alors que rien – pas même la lumière – ne peut s'échapper de l'intérieur d'un trou noir, les jets parviennent en quelque sorte à puiser leur énergie dans le trou noir. Les jets sont entraînés par une sorte d'astuce comptable, il expliqua, comme faire un chèque d'un montant négatif et faire apparaître de l'argent sur votre compte. Dans le cas du trou noir, ce sont les lois de la physique plutôt qu'une faille bancaire qui permettent aux trous noirs de cracher de l'énergie et de la matière alors même qu'ils aspirent la matière environnante.
L'incroyable friction et l'échauffement des gaz en spirale vers le trou noir provoquent des températures extrêmes et une compression dans les champs magnétiques, résultant en un contrecoup énergétique et une sortie de rayonnement qui échappe à la forte attraction du trou noir.
Une histoire de plis magnétiques et de chocs séquencés
Des études antérieures avaient montré comment des instabilités magnétiques (plis) dans les jets peuvent se produire lorsque les jets pénètrent dans le milieu ambiant. Cette instabilité est comme un ressort magnétique. Si vous écrasez le ressort des deux extrémités entre vos doigts, le ressort volera latéralement hors de votre main. De même, un jet connaissant cette instabilité peut changer de direction lorsqu'il percute de la matière hors de portée du trou noir.
Le même type d'instabilité a frustré les scientifiques travaillant sur les premières machines qui tentaient de créer et d'exploiter un super chaud, état chargé de la matière connu sous le nom de plasma dans les efforts pour développer l'énergie de fusion, qui alimente le soleil. Les jets spatiaux, également connu sous le nom de jets de noyaux galactiques actifs (AGN), sont également une forme de plasma.
La dernière étude a révélé que dans les cas où un jet antérieur avait "pré-percé" un trou dans le milieu ambiant entourant un trou noir et la matière impactée par le jet nouvellement formé était moins dense, un processus différent est à l'œuvre sous la forme de chocs de « recollimation ».
Comparaison côte à côte des « instantanés » de densité produits dans une simulation 3D de jets sortant d'un trou noir (à la base des images). Le rouge montre une densité plus élevée et le bleu montre une densité plus faible. Les lignes directionnelles noires montrent les lignes de courant du champ magnétique. The perturbed magnetic lines reflect both the emergence of irregular magnetic fields in the jets and the large-scale deviations of the jets out of the image plane, both caused by the 3D magnetic kink instability. Credit:Berkeley Lab, Université Purdue
These shocks form as matter and energy in the jet bounce off the sides of the hole. The jet, while losing energy from every shock, immediately reforms a narrow column until its energy eventually dissipates to the point that the beam loses its tight focus and spills out into a broad area.
"With these shocks, the jet is like a phoenix. It comes out of the shock every time, " though with gradually lessening energy, Tchekhovskoy said. "This train of shocks cumulatively can dissipate quite a substantial amount of the total energy."
The researchers designed the models to smash against different densities of matter in the ambient medium to create instabilities in the jets that mimic astrophysical observations.
Peering deeper into the source of jets
Nouveau, higher-resolution images of regions in space where supermassive black holes are believed to exist – from the Event Horizon Telescope (EHT), for example – should help to inform and improve models and theories explaining jet behavior, Tchekhovskoy said, and future studies could also include more complexity in the jet models, such as a longer sequence of shocks.
"It would be really interesting to include gravity into these models, " il a dit, "and to see the dynamics of buoyant cavities that the jet fills up with hot magnetized plasma as it drills a hole" in the ambient medium.
Il ajouta, "Seeing deeper into where the jets come from – we think the jets start at the black hole's event horizon (a point of no return for matter entering the black hole) – would be really helpful to see in nature these 'bounces' in repeating shocks, par exemple. The EHT could resolve this structure and provide a nice test of our work."
