Forskare avslöjar dold energimekanism i M87 svart hål
Astrofysiker vid Goethe-universitetet i Frankfurt har simulerat hur det supermassiva svarta hålet M87* driver sin massiva partikelstråle med hjälp av en ny numerisk kod. Deras fynd visar att magnetisk rekoppling, tillsammans med den traditionella Blandford-Znajek-mekanismen, extraherar rotationsenergi från det svarta hålet. Denna upptäckt förklarar de enorma strålarna som påverkar galaxers utveckling.
Det supermassiva svarta hålet M87*, beläget i mitten av galaxen M87, har en massa på sex och ett halvt miljarder solmassor och snurrar snabbt runt sin axel. Det driver en partikelstråle som kastas ut i nästan ljushastighet och sträcker sig 5 000 ljusår. Sådana strålar sprider energi och materia över universum och formar galaxer.
Ett team ledd av prof. Luciano Rezzolla vid Goethe-universitetet i Frankfurt utvecklade Frankfurt particle-in-cell-koden för svarta håls rumtider (FPIC). Denna kod simulerar omvandlingen av rotationsenergi till partikelstrålar med hög precision. Simuleringarna visar att, förutom Blandford-Znajek-mekanismen – som extraherar energi via starka magnetfält – spelar magnetisk rekoppling en nyckelroll. I denna process bryts och återansluts magnetfältlinjer, vilket omvandlar magnetenergi till värme, strålning och plasmautbrott.
FPIC-koden modellerade utvecklingen av laddade partiklar och elektromagnetiska fält under det svarta hålets gravitation, genom att lösa Maxwells ekvationer och rörelseekvationer för elektroner och positroner enligt Einsteins allmänna relativitetsteori. Dessa beräkningar krävde miljontals CPU-timmar på superdatorn "Goethe" i Frankfurt och "Hawk" i Stuttgart.
I det svarta hålets ekvatorialplan avslöjade simuleringarna intensiv rekopplingsaktivitet som bildar kedjor av plasmoider – energirika plasmabubblor – som rör sig i nästan ljushastighet. Detta genererar partiklar med negativ energi, som driver strålar och utbrott.
Dr. Claudio Meringolo, kodens huvudutvecklare, uppgav: "Att simulera sådana processer är avgörande för att förstå den komplexa dynamiken hos relativistiska plasma i krökta rumtider nära kompakta objekt, som styrs av samspelet mellan extrema gravitations- och magnetfält."
Dr. Filippo Camilloni tillade: "Våra resultat öppnar den fascinerande möjligheten att Blandford-Znajek-mekanismen inte är den enda astrofysiska processen som kan extrahera rotationsenergi från ett svart hål, utan att magnetisk rekoppling också bidrar."
Prof. Rezzolla förklarade: "Med vårt arbete kan vi visa hur energi effektivt extraheras från roterande svarta hål och kanaliseras till strålar. Detta hjälper oss att förklara de extrema luminositerna hos aktiva galaktiska kärnor samt accelerationen av partiklar till nästan ljushastighet."
Forskningen bygger på historiska observationer: År 1781 beskrev Charles Messier M87 som en "nebulosa utan stjärnor", och dess stråle upptäcktes 1918. Fynden publiceras i The Astrophysical Journal Letters (2025; 992 (1): L8).