Dżet czarnej dziury nie wylatuje z jej wnętrza
Niektóre aktywne czarne dziury wyrzucają wąskie dżety plazmy sięgające daleko poza galaktykę. Łatwo więc pomyśleć, że materia „wydostaje się” z czarnej dziury, ale byłoby to sprzeczne z definicją horyzontu zdarzeń. Dżety powstają na zewnątrz horyzontu, w silnie namagnesowanej plazmie otaczającej wirującą czarną dziurę i dysk akrecyjny. Pola magnetyczne mogą kierować energię i cząstki wzdłuż osi obrotu. Szczegóły uruchamiania dżetów są nadal przedmiotem badań, lecz obserwacje polaryzacyjne EHT pokazują uporządkowane, silne pola magnetyczne bardzo blisko M87*.
Pozorny paradoks
Na ilustracjach aktywnego jądra galaktyki widać ciemny centralny obiekt, jasny dysk i dwa strumienie materii wystrzeliwane w przeciwnych kierunkach. Jeśli nic nie może uciec z horyzontu, skąd bierze się dżet? Odpowiedź brzmi: dżet nie zaczyna się pod horyzontem. Materia, która przekroczyła tę granicę, nie wraca. Źródłem obserwowanej plazmy i promieniowania jest środowisko na zewnątrz — dysk, korona, magnetosfera oraz energia związana z ruchem orbitalnym i spinem czarnej dziury.
Rola pól magnetycznych
Gaz w dysku jest zjonizowany, więc tworzy plazmę przewodzącą prąd. Ruch plazmy wzmacnia i porządkuje pola magnetyczne, które mogą przenosić energię i moment pędu. W pobliżu osi obrotu odpowiednia konfiguracja pola pomaga kolimować wypływ, czyli utrzymywać go w wąskim strumieniu. W symulacjach ogólnej relatywistycznej magnetohydrodynamiki dżety są naturalnym rezultatem silnie namagnesowanej akrecji, szczególnie przy szybko wirujących czarnych dziurach.
Co pokazał Event Horizon Telescope
EHT sfotografował M87* w świetle spolaryzowanym. Polaryzacja niesie informację o uporządkowaniu pola magnetycznego emitującej plazmy. Obserwacje z 2021 roku pokazały wyraźną strukturę pola bardzo blisko cienia czarnej dziury i stały się ważnym ograniczeniem dla modeli akrecji oraz powstawania dżetu M87. Nie jest to bezpośredni film pokazujący pojedyncze cząstki startujące z konkretnego punktu, ale jest to obserwacyjny dowód, że silne pola magnetyczne działają dokładnie w regionie, gdzie teoretycznie powinny być kluczowe.
Energia może pochodzić także z obrotu
W modelach takich jak mechanizm Blandforda-Znajeka pole magnetyczne zakotwiczone w otaczającej plazmie oddziałuje z wirującą czasoprzestrzenią wokół czarnej dziury Kerra. Możliwe jest wtedy przenoszenie energii obrotowej czarnej dziury na zewnątrz w postaci elektromagnetycznego strumienia, który zasila dżet. Nie jest to ucieczka informacji zza horyzontu. Energia jest związana z globalnym polem i z obrotem układu w regionie dostępnym dla zewnętrznego Wszechświata.
Dlaczego dżety bywają gigantyczne
Jeżeli centralny silnik działa przez długi czas, relatywistyczny wypływ może wwiercać się w gaz międzygwiazdowy i międzygalaktyczny na setki tysięcy, a czasem więcej lat świetlnych. Skala dżetu jest wtedy nieporównywalnie większa od samego horyzontu. To jeden z najbardziej imponujących przykładów, jak procesy zachodzące w maleńkim — względem galaktyki — regionie przy czarnej dziurze mogą wpływać na gaz na skalach galaktycznych. Kluczowy szczegół pozostaje jednak niezmienny: nic, co obserwujemy w dżecie, nie musiało wydostać się z wnętrza horyzontu.
Kolimacja zachodzi na wielu skalach
Dżet nie staje się wąski w jednym magicznym punkcie. W pobliżu czarnej dziury pola magnetyczne organizują przepływ i nadają mu kierunek, a dalej oddziaływanie z otaczającym gazem i własne ciśnienie magnetyczne może dodatkowo go kolimować. W M87 dżet można śledzić od skal bardzo bliskich centralnemu obiektowi aż po ogromne odległości galaktyczne. Porównanie struktur na różnych długościach fal pozwala badać, gdzie plazma jest przyspieszana i kiedy przepływ osiąga relatywistyczną prędkość. To pokazuje, że „dżet czarnej dziury” jest nazwą całego układu: horyzont dostarcza ekstremalnych warunków, ale widoczny strumień jest tworzony i kształtowany przez plazmę oraz pola na zewnątrz.