Tek Diskte İki Yapı: Birikim Diskleri Kara Delik Jetlerini Nasıl Yönetiyor

Süperkütleli kara deliklerden yayılan astrofiziksel jets muhteşem görünen olgularlardır. İyonlaşmış gazdan oluşan bu jets milyonlarca parsek boyunda uzanır ve ışık hızına yakın relativistik hızlara ulaşabilir. Ana galaksinin içindeki gazı, oradan da ana küme içine etki ederek yıldız oluşumunu bozabilirler.

Süperkütleli kara delikler bu jetsi yalnızca aktif olarak beslenirken yayarlar. Beslendikleri malzeme, aşırı ısınmış bir birikim diskinde birikir, ancak tümü kara delik tarafından tüketilmez. Bir kısmı, birikim diskindeki güçlü manyetik alanlar tarafından itilerek bu jetslerle uzaya fışkırır.

Genel tabloyu anlamalarına rağmen, astrofizikçiler bu süreçle ilgili belirli soruları yanıtlamada zorlanırlar. The Astrophysical Journal Letters’te yayımlanan yeni bir araştırma, birikim ile jets arasındaki bağlantıyı inceliyor. “Disk Truncation Triggers Relativistic Jet Launching of a Highly Accreting Supermassive Black Hole” başlıklı çalışma, ortak baş yazarları Hirofumi Noda ve Kazuhiro Hada’dan geliyor. Noda, Tohoku Üniversitesi’nde Doçent Profesör; Hada ise Nagoya Üniversitesi’nden.

“Relativistik jets, Evrendeki en enerjik olgular arasında yer alır ve enerjik geri bildirim yoluyla galaksi evrimini etkiler; ancak birikim akışları ile jets oluşumu arasındaki fiziksel bağlantı hâlâ çözülmüş değil,” yazarlar yazıyor. “Jets üretimi, geniş ölçekli manyetik alanlar tarafından sürdürülen birikim akışı aracılığıyla kara deliğin dönme enerjisini çıkaran Blandford–Znajek (BZ) mekanizmasına atfedilir.”

Bu nedenle BZ, jetsi başlatmak için geniş ölçekli manyetik alanlara ihtiyaç duysa da, ince diskler bunun sağlandığını göstermiyor. Yine de bu diskler jets başlatıyor. Arada ne oluyor?

Bunu anlamak için araştırmacılar, 420 milyon ışık yılı uzaklıktaki aktif bir galaksi olan 3C 120’yi incelemek için güçlü X-ışını ve radyo gözlemlerini kullandı. Bu nesne hızla malzeme biriktiriyor ve aynı zamanda bir jet de yayıyor. X-ışını Görüntüleme ve Spektroskopi Görevi (XRISM), Global Milimetre Çok Uzun Baz Çizgisi Girişimi (VLBI) Dizisi (GMVA), Çok Uzun Baz Çizgisi Dizisi (VLBA) ve Doğu Asya VLBI Ağı (EAVN)’yı kullandılar.

3C 120, bu gözlemler için ideal bir konudur.

“Geniş çizgili radyo galaksisi 3C 120 (z = 0.033), MBH ∼ 6.3 × 107 M⊙ kadar bir kara delik kütlesiyle bu sorunu ele almak için ideal bir laboratuvar sağlar. M87 gibi zayıf birikimli aktif galaksi çekirdeklerinin aksine, 3C 120 nispeten yüksek bir oranda birikirken, eşzamanlı olarak güçlü bir relativistik jet başlatır,” yazarlar yazıyor.

Hızla birikleyen ve jets başlatan süperkütleli kara delikle aktif bir galaksi olan 3C 120’nin Hubble görüntüsü. Araştırmacılar, en güncel X-ışını ve radyo gözlemevlerini kullanarak nesneyi incelediler. Görüntü Kaynağı: By HST and C messier – Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=133791754

“Aynı kara deliği en güncel X-ışını ve radyo teleskoplarıyla incelediğimiz için kara deliği saran sıcak plazmayı ve ondan çıkan jeti aynı anda görebildik,” ortak baş yazar Noda bir basın açıklamasında söyledi. “Bu da bize kara deliğin çevresindeki aşırı ortamı ile jetin oluşumu arasında doğrudan bir bağlantı kurmamızı sağlıyor.”

XRISM gözlemleri, 3C 120’nin çevresindeki diskte bir demir emisyon çizgisi ortaya çıkardı. Genel görelilikten biraz yardım alarak ve demir çizgisindeki bir bozulma sayesinde araştırmacılar, diskin kara deliğe ne kadar yaklaştığını belirlediler. Bu da onlara diskin kesik (trünkte) olduğunu gösterdi.

“Yüksek çözünürlüklü X-ışını spektroskopi, soğuk, geometrik olarak ince diskin ∼20Rg’de (Rg yerçekimi yarıçapı) kesikli olduğunu ve iç bölgenin sıcak, geometrik olarak kalın bir akışla yer değiştirdiğini gösteren, relativistik olarak genişlemiş bir Fe Kα çizgisi ortaya çıkarır,” yazarlar yazıyor. Yani disk iki parçadan oluşuyor: dışarıda soğuk, ince bir disk; içerde ise sıcak, kalın bir disk.

Bu görüntü yeni bulguları göstermektedir. Sol üstte, XRISM kara deliğin yakınından gelen X-ışınlarının “rengini” doğru şekilde ölçtü. Dalga boyları gerilmiş ve genel görelilik bu renkleri değiştiriyor. Sağ üstte, 3 mm’lik dalga boyunda Global Millimeter VLBI Array tarafından elde edilen iyonlaşmış akış (jet) görüntüsü yer alıyor. Alt kısımda ise hızlı şekilde madde besleyen süperkütleli kara deliğin çevresindeki ortamı betimleyen bir sanatçı tasviri bulunuyor. Soğuk ve düz akış diski, kara deliğin yarıçapının yaklaşık 20 katında bir noktada kesilerek, iç kısmında iyonlaşmış akışın başlatıldığı sıcak bir akışa dönüşüyor. Görsel Kaynağı: ©Tohoku Üniversitesi

Böylece dış disk süperkütleli kara deliğin iyonlaşmış akış başlatması için gereken manyetik alanları sağlayamazken, iç disk bunu sağlayabilir.

“Bu sonuçlar, yüksek akış oranlarında bile iyonlaşmış akışın başlatılmasının sıcak iç akışla ilişkili olduğunu, muhtemelen Blandford–Znajek süreci aracılığıyla, geometrik geçiş yoluyla evrensel bir disk–iyonlaşmış akış bağlantısı için kanıt sağladığını göstermektedir,” yazarlar yazıyor.

Blandford–Znajek mekanizmasının bir süperkütleli kara deliğin iyonlaşmış akış başlatması için gerekli olduğu fikri kısmen gözlemlere, kısmen de simülasyonlara dayanıyor. Bu çalışma, bir süperkütleli kara deliği, diski ve iyonlaşmış akışlarını gözlemek için yeni bir yol sunuyor. Yöntem, disk kesilme olgusu hakkında daha fazla şey öğrenmek üzere daha büyük bir örneklem grubuna uygulanacak.

“Bu sonuçlar, koordineli yüksek çözünürlüklü X-ışını spektroskopisi ile VLBI görüntülemenin kara delik MHD’sini (magnetohidrodinamiği) çözmedeki kritik rolünü vurgulamakta ve iç yapı geçişlerinin spin gücüyle çalışan iyonlaşmış akışlar için manyetik açıdan elverişli bölgeler nasıl kurduğunu göstermektedir,” araştırmacılar sonuçlarında yazıyor.

“Bir sonraki hedefimiz, madde, manyetik alanlar ve kara delik dönüşünün bu aşırı ortamlarda birbirleriyle nasıl etkileştiğine dair daha kapsamlı bir resim kurmak,” dedi Noda. “Bu süreci anlamak, aynı zamanda süperkütleli kara deliklerin galaksilerin ve Evren’in daha büyük yapılarının evrimi üzerindeki etkilerini daha iyi anlamamıza da yardımcı olabilir.”