Πως δημιουργούνται οι πίδακες στους ενεργούς γαλαξίες; Μέρος B: Οι μηχανισμοί παραγωγής πιδάκων των ενεργών γαλαξιών

Σε συνέχεια του μέρους Α’ θα εστιάσουμε στους μηχανισμούς τροφοδοσίας των πιδάκων. Σε αυτό το σημείο να κάνουμε μία σύντομη υπενθύμιση που αφορά στα μαγνητικά πεδία, η περιγραφή των οποίων υπάρχει στο Μέρος Α’.

Γράψαμε στο προηγούμενο μέρος ότι υπάρχουν μαγνητικά πεδία γύρω από τη μελανή οπή που είναι εδραιωμένα στο δίσκο προσαύξησης, είτε από σωματίδια που έπεσαν μέσα στη μαύρη τρύπα είτε από ορισμένες διαδικασίες κατά τη δημιουργία του δίσκου.

Γενικά τα μαγνητικά πεδία σε ένα δίσκο περιγράφονται από δύο συνιστώσες: την τοροειδή, αυτό δηλαδή που οι δυναμικές γραμμές του ακολουθούν τη κατεύθυνση περιστροφής του δίσκου, και την πολοειδή της οποίας οι δυναμικές γραμμές βρίσκονται κάθετα στο επίπεδο του δίσκου και εκτείνονται πάνω και κάτω του, όπως φαίνεται στην Εικόνα 1.

Με βάση τα παραπάνω "συστατικά" έχουν προταθεί διάφοροι μηχανισμοί για την ενεργειακή τροφοδοσία των πιδάκων. Οι τρεις κυριότεροι συνοπτικά είναι:

1. Διαδικασία Blandford-Payne: H ενέργεια προέρχεται άμεσα από το δίσκο προσαύξησης και εμμέσως απο τη μελανή οπή λόγω της εισροής του υλικού σε αυτή (βαρυτική δυναμική ενέργεια πρόσπτωσης). Εξαιτίας της περιστροφής του δίσκου, οι πολοειδείς μαγνητικές γραμμές που ξεκινούν παγιωμένες κάθετα μέσα σε αυτόν και εκτείνονται μακριά του, περιστρέφονται μαζί του και μέσω φυγοκέντρου παρασέρνουν κατα μήκος τους θύλακες πλάσματος από το δίσκο. Φανταστείτε τους σαν χάντρες που κινούνται σε περιστρεφόμενα σύρματα, αποσπώντας ενέργεια και στροφορμή. Κάποια στιγμή η αδράνεια αυτού του υλικού οδηγεί στο να αρχίσει να σχηματίζεται μια σπειροειδής δομή “χωνιού’. Εκεί δημιουργούνται δυνάμεις λόγω των παραμορφώσεων του μαγνητικού πεδίου, όπως είναι η μαγνητική τάση των δυναμικών γραμμών που μοιάζει με μια δύναμη τεντωμένης χορδής που θέλει να ισιώσει και σπρώχνει το υλικό. Αυτό οδηγεί σε επιτάχυνση και ευθυγράμμιση της ροής με συνέπεια δύο αντιδιαμετρικούς πίδακες. Όμως υπάρχουν τρεις βασικές ενστάσεις: α. λεπτομερείς υπολογισμοί δείχνουν ότι με αυτόν τον τρόπο δεν επιτυγχάνεται η ευθυγράμμιση που παρατηρείται σε αστροφυσικούς πίδακες, β. με αυτό το γενικό μηχανισμό, που απ’ ότι δείχνει πληρούν τις προδιαγραφές του όλοι οι δίσκοι, θα έπρεπε κάθε ένας να σχηματίζει πίδακες αλλά πολλοί τελικά δεν σχηματίζουν. γ. Τέλος, μερικές φορές οι πίδακες φαίνεται να φέρουν πολλαπλάσια ενέργεια από αυτή του δίσκου, κάτι που υπονοεί πως (και) κάποια άλλη πηγή ενέργειας πρέπει να υπάρχει. Παρόλα αυτά ο μηχανισμός παραμένει χρήσιμος γιατί ίσως εξηγεί τους ήπια σχετικιστικούς ανέμους σωματιδίων που φαίνεται να αποτελούν γενικό χαρακτηριστικό των ενεργών γαλαξιακών κέντρων όπως είχε αναφερθεί στο προηγούμενο μέρος.

2. Διαδικασία Blandford-Znajek: Θεωρείται ίσως ο βασικότερος μηχανισμός. Η ενέργεια τού πίδακα προέρχεται κατευθείαν από τη μαύρη τρύπα και το σπιν της, μέσω της εργόσφαιρας και του μαγνητικού πεδίου του δίσκου [4]. Οι ανοιχτές μαγνητικές δυναμικές γραμμές του δίσκου εισέρχονται στην εργόσφαιρα και περιστρέφονται μαζί της, κάτι που δημιουργεί ένα επαγόμενο ηλεκτρικό πεδίο. Αυτό λειτουργεί σαν διαφορά δυναμικού (όπως είναι η τάση μιας μπαταρίας) διαχωρίζοντας τα φορτισμένα σωματίδια και δημιουργώντας ένα ηλεκτρικό ρεύμα. Συνολικά υπάρχει μια ροή ενέργειας (γνωστή ως ροή Poynting) στους πόλους της μαύρης τρύπας που κατευθύνεται προς τα έξω. Η ενέργεια αυτή, μειώνει τη στροφορμή τής μαύρης τρύπας και επιταχύνει τα σωματίδια σε υπερσχετικιστικές ταχύτητες. Τα σωματίδια αυτά μπορεί να προέρχονται είτε από την άκρη του δίσκου κοντά στην εργόσφαιρα είτε από δίδυμη γένεση ζευγών ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων που δημιουργούνται στην εργόσφαιρα αυθόρμητα, ή και τα δύο. Ακόμα όμως δεν έχει διευκρινιστεί οριστικά η σύνθεση των πιδάκων. Έχουν αναπτυχθεί διάφορα μοντέλα με κυρίαρχα α. τα αποκαλούμενα λεπτονικά στα οποία ο πίδακας αποτελείται από ζεύγη ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων, και β. τα λετπο-αδρονικά στα οποία ο πίδακας περιέχει και πρωτόνια (ή/και βαρύτερα ιόντα). Ο συγκεκριμένος μηχανισμός φαίνεται πιο αποτελεσματικός και οδηγεί σε πολύ λαμπρούς πίδακες σε σχέση με το μηχανισμό Blandford-Payne και τους δίσκους προσαύξησης. Δεν αποτελεί ωστόσο τελική απάντηση και περαιτέρω παρατηρήσεις θα ενισχύσουν αυτή τη θεωρία [5].

3. Διαδικασία Penrose: Ένας τρίτος μηχανισμός, ο οποίος δρα σε συνδυασμό με τον προηγούμενο και αφορά την ενέργεια που μπορούν να αποκτήσουν τα σωματίδια καθώς μπαίνουν στην εργόσφαιρα. Σε αυτή τη διαδικασία ένα μέρος ύλης μπορεί να διαχωριστεί στα δύο, με το ένα να πέφτει μέσα στον ορίζοντα γεγονότων αφαιρώντας ενέργεια από τη μαύρη τρύπα** ενώ το άλλο να εκτοξεύεται έξω από την εργόσφαιρα κερδίζοντας ενέργεια. Αυτό συμβαίνει ως εξής: όπως και στο μηχανισμό Blandford-Znajek, αν το μαγνητικό πεδίο του δίσκου είναι εντός της εργόσφαιρας, σχηματίζεται κοντά στον ισημερινό της μαυρης τρύπας μια ζώνη μαγνητικων γραμμών αντίθετης φοράς μεταξύ τους. Ενδιάμεσα τους, λόγω της αντίθετης φοράς, εξασθενεί πολύ το μαγνητικό πεδίο, αφήνοντας μόνο το ηλεκτρικό πεδίο της μαύρης τρύπας να δρα και να επιταχύνει τα σωματίδια. Κάποια μπορεί να τα στέλνει προς τα μαγνητικά χωνιά των πόλων, ενώ κάποια άλλα να τα απορροφά με τη διαδικασία Penrose. Προσομοιώσεις δείχνουν ότι η συγκεκριμένη διαδικασία μπορεί να δώσει μέχρι και 20% της ενέργειας του πίδακα, με το υπόλοιπο 80% να προέρχεται από το μηχανισμό Blandford-Znajek [4].

Στη περίπτωση που οι δύο τελευταίες διαδικασίες εξηγούν τελικά τη δημιουργία πιδάκων ενεργών γαλαξιών, η κύρια πηγή ισχύος τους είναι η ίδια η περιστροφή του χωροχρόνου ενάντια στην οποία τα εξωτερικά ηλεκτρομαγνητικά πεδία εκτελούν έργο, μειώνοντας την περιστροφή της μαύρης τρύπας. Αυτός ο μηχανισμός ίσως είναι ο πιο αποδοτικός μηχανισμός εξαγωγής ενέργειας στο Σύμπαν.

*Η μελέτη της κίνησης του πλάσματος σε συνδυασμό με τα μαγνητικά πεδία γίνεται με τις εξισώσεις της μαγνητοϋδροδυναμικής στη περίπτωση που το πλάσμα είναι αρκετά πυκνό και με αρκετές συγκρούσεις ώστε να συμπεριφέρεται σαν ρευστό. Αν αντιθέτως είναι πολύ αραιό, κυριαρχούν δυνάμεις μεγάλης εμβέλειας που διαμορφώνουν το πλάσμα χωρίς συγκρούσεις και χρειάζονται οι λεγόμενες κινητικές εξισώσεις. Αυτές εξετάζουν με στατιστικό τρόπο πλέον τις κινήσεις των σωματιδίων και τη κατανομή τους, η οποία καθορίζει και τα πεδία με εναν αυτοσυνεπή τρόπο (εξισώσεις Vlasov-Maxwell).

**Σχετικά με το κομμάτι που πέφτει μέσα στη μαύρη τρύπα λόγω της διαδικασίας Penrose, τα μαθηματικά του περιστρεφόμενου συστήματος της εργόσφαιρας δείχνουν το περίεργο φαινόμενο να έχει αρνητική ποσότητα μάζας-ενέργειας και να μειώνει αυτήν την τρύπας αντί να την αυξάνει όταν πέφτει μέσα της!

Πηγές:

[1] https://cds.cern.ch/record/523342/files/0110394.pdf

[2] https://www.researchgate.net/profile/Motoki_Kino/publication/2220270/figure/fig1/AS:651958838890498@1532450508807/ESchematic-drawing-of-the-global-geometries-of-magnetic-Deld-and-plasma-Now-A-poloidally.png

[3] http://www.isas.ac.jp/e/forefront/2011/lukasz/02.shtml

[4] https://medium.com/predict/how-black-holes-power-relativistic-jets-aba4297c6b3d

[5] https://www.sciencemag.org/news/2014/11/what-powers-black-holes-mighty-jets