Yoğunluğun üç boyutlu hacimsel gösterimi, X-şekilli jet morfolojisinin doğal gelişimini gösterir. Daha fazla ayrıntı için aşağıdaki gömülü videoya bakın. Kredi: Aretaios Lalakos/Kuzeybatı Üniversitesi
Gökbilimciler radyo teleskoplarını kullanarak gece gökyüzüne baktıklarında, genellikle merkezi süper kütlelerinin her iki yanından ikiz jetlerin patladığı eliptik şekilli gökadalar görürler.[{” attribute=””>black holeX-Şekilli Radyo Galaksileri Beklenenden Daha Basit Şekilde Oluşabilir
Although these mysterious X-shaped radio galaxies have confounded astrophysicists for two decades, a new study sheds new insight into how they form — and it’s surprisingly simple. Also, according to the study, X-shaped radio galaxies might be more common than previously thought.
The study, by Northwestern University, will be published today (August 29, 2022) in the Astrophysical Journal Letters. It represents the first large-scale galaxy accretion simulation that tracks the galactic gas far from the supermassive black hole all the way toward it.
A still image taken from the 3D simulation of the natural development of an X-shaped jet. The gas (bright red) falls into the black hole, which launches a pair of relativistic jets (light blue). The jets propagate vertically and shock the ambient gas (dark red) The older cavities (dark blue) buoyantly rise at an angle to the vertically propagating jets to form the X-shape. Credit: Aretaios Lalakos/Northwestern University
Simple conditions lead to messy result
Northwestern astrophysicists implemented simple conditions to model the feeding of a supermassive black hole and the organic formation of its jets and accretion disk using new simulations. When the scientists ran the simulation, the simple conditions organically and unexpectedly led to the formation of an X-shaped radio galaxy.
Surprisingly, the researchers discovered that the galaxy’s characteristic X-shape resulted from the interaction between the jets and the gas falling into the black hole. Early in the simulation, the infalling gas deflected the newly formed jets, which turned on and off, erratically wobbled, and inflated pairs of cavities in different directions to resemble an X-shape. However, eventually, the jets became strong enough to push through the gas. At this point, the jets stabilized, stopped wobbling, and propagated along a single axis.
“We found that even with simple symmetric initial conditions, you can have quite a messy result,” said Northwestern’s Aretaios Lalakos, who led the study. “A popular explanation of X-shaped radio galaxies is that two galaxies collide, causing their supermassive black holes to merge, which changes the spin of the remnant black hole and the direction of the jet. Another idea is that the jet’s shape is altered as it interacts with large-scale gas enveloping an isolated supermassive black hole. Now, we have revealed, for the first time, that X-shaped radio galaxies can, in fact, be formed in a much simpler way.”
Lalakos is a graduate student at Northwestern’s Weinberg College of Arts and Sciences and a member of the Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA). He is co-advised by paper coauthor Sasha Tchekhovskoy, an assistant professor of physics and astronomy at Northwestern and a key member of CIERA, and Ore Gottlieb, a CIERA postdoctoral fellow.
Yoğunluğun üç boyutlu hacimsel gösterimi, X-şekilli jet morfolojisinin doğal gelişimini gösterir. Gaz girişi, kara deliği besleyen, dikey olarak yayılan ve ortam gazını şok eden bir çift göreli jet (açık mavi) başlatan bir birikim diskinin (sarı) oluşumuna tanık olduğumuz, derinlerde bir yığılma akışı (parlak kırmızı) oluşturur. (koyu Kırmızı). Önceki yanlış hizalanmış jet aktivitesiyle şişirilmiş olan eski boşluklar (koyu mavi), dikey olarak yayılan jetlere bir açıyla yüzer şekilde yükselir ve X-şekilli jet morfolojisini oluşturur. Kredi: Aretaios Lalakos/Kuzeybatı Üniversitesi
Kazara bir X şekli
Radyo galaksiler görünür ışık yayarlar ve aynı zamanda geniş radyo emisyonu bölgelerini de kapsarlar. M87 belki de en ünlü radyo galaksisidir. Evrendeki en büyük gökadalardan biridir ve 2019’da Event Horizon Teleskobu’nun merkezi süper kütleli kara deliğini görüntülemesiyle daha da popüler hale gelmiştir. İlk olarak 1992’de ortaya çıkan X şeklindeki radyo gökadaları, tüm radyo gökadalarının %10’undan daha azını oluşturuyor.
Lalakos bir kara delik modellemeye başladığında, X şeklinde bir galaksiyi simüle etmeyi beklemiyordu. Bunun yerine, bir kara delik tarafından yenen kütle miktarını ölçmeyi amaçladı. Simülasyona basit astronomik koşulları girdi ve çalışmasına izin verdi. Lalakos başlangıçta ortaya çıkan X şeklinin önemini anlamadı, ancak Tchekhovskoy coşkulu bir hararetle tepki verdi.
“Dostum, bu çok önemli! Bu bir X-şekli!” dedi Lalakos. “Bana gökbilimcilerin bunu gerçek hayatta gözlemlediklerini ve nasıl oluştuklarını bilmediklerini söyledi. Onu daha önce kimsenin tahmin bile etmediği bir şekilde yarattık.”
Önceki simülasyonlarda, diğer astrofizikçiler, nasıl ortaya çıktıklarını incelemek için yapay olarak X şeklinde yapılar oluşturmaya çalışmışlardı. Ancak Lalakos’un simülasyonu organik olarak X şekline yol açtı.
Lalakos, “Simülasyonumda hiçbir şey varsaymaya çalıştım” dedi. “Genellikle, araştırmacılar bir simülasyon ızgarasının ortasına bir kara delik koyarlar ve etrafına büyük, önceden oluşturulmuş bir gaz diski yerleştirirler ve daha sonra diskin dışına ortam gazı ekleyebilirler. Bu çalışmada simülasyon bir disk olmadan başlar, ancak kısa süre sonra dönen gaz kara deliğe yaklaştıkça bir disk oluşur. Bu disk daha sonra kara deliği besler ve jetler oluşturur. Mümkün olan en basit varsayımları yaptım, bu yüzden tüm sonuç bir sürprizdi. Bu, çok basit başlangıç koşullarından simülasyonlarda X-şekilli morfolojiyi ilk kez gören kişidir.”
‘Onları görecek kadar şanslı değilim’
X-şekli simülasyonun sadece erken dönemlerinde ortaya çıktığı için – jetler güçlenene ve stabilize olana kadar – Lalakos, X şeklindeki radyo galaksilerinin evrende önceden düşünülenden daha sık görünebileceğine, ancak çok kısa sürebileceğine inanıyor.
“Kara delik her yeni gaz aldığında ve tekrar yemeye başladığında ortaya çıkabilirler” dedi. “Yani sık sık oluyor olabilirler, ancak onları görecek kadar şanslı olmayabiliriz çünkü sadece jetin gücü gazı uzaklaştırmak için çok zayıf olduğu sürece meydana gelirler.”
Daha sonra Lalakos, bu X şekillerinin nasıl ortaya çıktığını daha iyi anlamak için simülasyonları çalıştırmaya devam etmeyi planlıyor. Merkezi kara deliklerin toplanma disklerinin ve dönüşlerinin boyutuyla ilgili deneyler yapmayı dört gözle bekliyor. Diğer simülasyonlarda, Lalakos, neredeyse hiç var olmayan ve son derece büyük olana kadar toplama diskleri içeriyordu – hiçbiri zor X şekline yol açmadı.
Lalakos, “Evrenin çoğu için, tam merkeze yakınlaştırmak ve bir kara deliğin çok yakınında neler olduğunu görmek imkansız” dedi. “Ve gözlemleyebildiğimiz şeyler bile zamanla kısıtlıyız. Eğer süper kütleli kara delik zaten oluşmuşsa, insan ömrü çok kısa olduğu için evrimini gözlemleyemeyiz. Çoğu durumda, bir kara deliğin yakınında ne olduğunu anlamak için simülasyonlara güveniyoruz.”
“Bondi ve Event Horizon Ölçeklerini Birleştirmek: 3D GRMHD simülasyonları, X-şekilli radyo galaksi morfolojisini ortaya koyuyor” çalışması, Ulusal Bilim Vakfı tarafından desteklendi (hibe numaraları AST-2107839, AST-1815304, AST-1911080 ve OAC-2031997) .