Svarta hål har varit fascinerande studieobjekt, inte bara för att de är kosmiska dammsugare, utan också för att de är motorer med enorm kraft som kan utvinna och omfördela energi i en häpnadsväckande skala. Dessa mörka jättar är ofta omgivna av virvlande skivor av gas och stoft, så kallade ackretionsskivor.
När dessa skivor är starkt magnetiserade kan de fungera som galaktiska kraftverk och utvinna energi från det svarta hålets spinn i en process som kallas Blandford-Znajek (BZ)-effekten.
Forskare har teoretiserat att BZ-effekten är den primära mekanismen i energiutvinningsprocessen, men många okända faktorer kvarstår, som vad som avgör hur mycket energi som kanaliseras till kraftfulla jetstrålar – kraftfulla strömmar av partiklar och energi som kastas ut längs det svarta hålets poler – eller försvinner som värme.
För att besvara dessa frågor vände sig JILA-postdoktorn Prasun Dhang och JILA-stipendiaterna och professorerna i astrofysik och planetvetenskap vid University of Colorado Boulder, Mitch Begelman och Jason Dexter, till avancerade datorsimuleringar. Genom att modellera svarta hål omgivna av tunna, starkt magnetiserade ackretionsskivor försökte de avslöja den underliggande fysiken som driver dessa gåtfulla system.
Deras resultat, som publiceras i The Astrophysical Journal, ger viktiga insikter i den komplexa fysiken kring svarta hål och kan omdefiniera hur vi förstår deras roll i formandet av galaxer.
”Det har länge varit känt att infallande gas kan utvinna spinalenergi från ett svart hål”, säger Dexter.
”Vanligtvis antar vi att detta är viktigt för att driva jetstrålar. Genom att göra mer exakta mätningar har Prasun visat att det utvinns mycket mer energi än vad som tidigare varit känt. Denna energi kan stråla ut som ljus eller få gasen att strömma utåt. Hur som helst kan den extraherade spin-energin vara en viktig energikälla för att lysa upp regionerna nära det svarta hålets händelsehorisont.”
Jämförelse av svarta hål med svarta hål
I årtionden har forskare studerat svarta hål och deras interaktioner med omgivande gas och magnetfält för att förstå hur de driver några av universums mest energiska fenomen.
Den tidiga forskningen fokuserade främst på svarta hål med låg ljusstyrka och kvasisfäriska ackretionsflöden, eftersom dessa system är jämförelsevis enklare att simulera och stämmer överens med många observerade jets.
Svarta hål med hög luminositet och geometriskt tunnare, tätare magnetiserade skivor utgör dock en unik utmaning. Dessa system är teoretiskt instabila på grund av obalanser i uppvärmning och kylning.
Tidigare studier, bland annat av Mitch Begelman, har dock antytt att starka magnetfält kan stabilisera dessa tunna skivor, men detaljerna kring deras roll i energiutvinning och jetbildning förblev oklara under sådana förhållanden.
”Vi ville förstå hur energiutvinning fungerar i dessa starkt magnetiserade miljöer”, förklarar Dhang.
Simulering av magnetiserade flöden runt svarta hål
Teamet använde avancerade datorsimuleringar för att utforska detta fenomen, närmare bestämt en särskild typ av modell som kallas den allmänna relativistiska magnetohydrodynamiska 3D-modellen (GRMHD).
GRMHD-modellen fungerar som ett beräkningsramverk som simulerar beteendet hos magnetiserad plasma i den krökta rumtiden runt svarta hål, och kombinerar fysiken i magnetfält, fluiddynamik och Einsteins allmänna relativitetsteori för att fånga de komplexa interaktionerna i dessa extrema miljöer. Med hjälp av ramverket observerade forskarna hur magnetfält interagerade med svarta hål som snurrar i olika hastigheter.
”Målet var att se hur magnetiska flöden som tränger igenom det svarta hålet påverkar energiutvinningen och om det leder till att jetstrålar bildas”, säger Dhang.
I simuleringarna modellerades tunna, magnetiserade ackretionsskivor och man undersökte hur mycket energi det svarta hålet överförde till sin omgivning. Genom att studera effektiviteten i denna energiutvinning identifierade teamet olika svarta håls spinn och magnetiska konfigurationer med jets.
Manifestation av BZ-kraft
Utifrån sina simuleringar fann teamet att beroende på det svarta hålets spinn kanaliserades mellan 10 och 70 procent av den energi som utvanns genom BZ-processen till jetstrålar.
”Ju högre spinn, desto mer energi kan det svarta hålet frigöra”, säger Dhang.
All energi gick dock inte till jetstrålar, utan en del absorberades tillbaka till skivan eller avleddes som värme.
Även om simuleringarna inte kunde avgöra vart överskottsenergin tog vägen planerar Dhang att studera detta vidare för att bättre förstå hur jets bildas, eftersom jets ofta finns i aktiva galaxkärnor som kvasarer.
Utifrån sina modeller fann forskarna att de starka magnetfälten ökade diskens strålningseffektivitet, vilket gjorde den ljusare. Denna extra ljusstyrka kan förklara varför vissa svarta hål verkar mycket mer lysande än vad teoretiska modeller förutspår.
”Den outnyttjade energin i närheten av det svarta hålet kan värma upp skivan och bidra till en korona”, säger Dhang.
Koronan, en region med het gas som omger det svarta hålet och som avger intensiv röntgenstrålning, är avgörande för att forma det ljus vi observerar från dessa system, men dess exakta bildningsprocess är fortfarande oklar.
Forskarna hoppas kunna använda ytterligare simuleringar för att förstå dynamiken i skapandet av en svart hål-korona.
För mer information: Prasun Dhang et al, Energy Extraction from a Black Hole by a Strongly Magnetized Thin Accretion Disk, The Astrophysical Journal (2025). DOI: 10.3847/1538-4357/ada76e