Forskare har tagit ett stort steg mot att förstå hur svarta hål påverkar universum genom att direkt mäta kraften i deras jets, en uppgift som låter ungefär lika lätt som att mäta en orkan med en linjal. Genom att använda ett nätverk av radioteleskop spridda över hela världen har ett team lett av Curtin University tagit detaljerade bilder som avslöjar hur energirika dessa jets kan vara, vilket bekräftar långvariga teorier om att svarta hål är universums ultimata överpresterare.

Studien, publicerad i Nature Astronomy, fokuserade på Cygnus X-1, ett välkänt system som inkluderar det första bekräftade svarta hålet och en massiv superjättestjärna. Forskarna fastställde att jetströmmarna från detta svarta hål bär en energiproduktion motsvarande cirka 10 000 solar, vilket är väldigt många solar.

För att göra denna mätning förlitade sig teamet på en vitt spridd uppsättning teleskop som arbetade tillsammans som ett. Denna uppställning gjorde det möjligt för dem att observera hur jetströmmarna knuffades och förvrängdes av kraftiga vindar från den närliggande stjärnan medan det svarta hålet färdades längs sin omloppsbana. Effekten liknar hur starka vindbyar på jorden kan böja en vattenstråle från en fontän, om den fontänen drevs av den koncentrerade ilskan från 10 000 stjärnor.

Genom att beräkna styrkan i stjärnans vind och spåra hur mycket jetströmmarna avböjdes kunde forskarna bestämma jetströmmarnas kraft vid ett specifikt ögonblick. Detta markerar första gången forskare direkt har mätt den momentana energin i svarta håls jets istället för att förlita sig på långsiktiga medelvärden, vilket är som att mäta ett blixtnedslag istället för den genomsnittliga årliga nederbörd.

Teamet mätte också jetströmmarnas hastighet och fann att de färdas med ungefär hälften av ljusets hastighet, eller cirka 150 000 kilometer per sekund. Att bestämma denna hastighet har varit en utmaning för forskare i många år, förmodligen för att deras radarvapen fortsatte att smälta.

Projektet leddes av Curtin Institute of Radio Astronomy (CIRA) och Curtin-noden av International Centre for Radio Astronomy Research (ICRAR), med bidrag från University of Oxford.

Huvudförfattaren Dr. Steve Prabu, som arbetade vid CIRA under studien och nu är vid University of Oxford, förklarade att teamet använde en sekvens av bilder för att spåra vad han beskrev som "dansande jets". Denna term hänvisar till hur jetströmmarna upprepade gånger skiftar riktning när de knuffas av superjättestjärnans starka vindar medan båda objekten kretsar runt varandra, vilket skapar universums mest destruktiva vals.

Dr. Prabu sa att dessa observationer avslöjar hur mycket av energin som genereras nära ett svart hål överförs till dess omgivningar, vilket påverkar miljön runt det. "En nyckelfyndighet från denna forskning är att cirka 10 procent av energin som frigörs när materia faller in mot det svarta hålet bärs bort av jetströmmarna," sa Dr. Prabu. "Detta är vad forskare vanligtvis antar i storskaliga simulerade modeller av universum, men det har varit svårt att bekräfta genom observation fram till nu," tillade han, vilket bekräftar att simuleringen ibland faktiskt är korrekt.

Medförfattaren Professor James Miller-Jones, från CIRA och Curtin-noden av ICRAR, noterade att tidigare tekniker endast kunde uppskatta jetkraft under extremt långa perioder, ibland över tusentals eller miljontals år. Detta gjorde det svårt att direkt jämföra jetenergi med röntgenstrålningen som produceras när materia faller in i ett svart hål, ett klassiskt fall av kosmisk mätningsobekvämlighet.

"Och eftersom våra teorier antyder att fysiken runt svarta hål är mycket lika, kan vi nu använda denna mätning för att förankra vår förståelse av jets, oavsett om de kommer från svarta hål som är 10 eller 10 miljoner gånger solens massa," sa Professor Miller-Jones, vilket antyder en förtjusande skalbarhet till förstörelsen.

"Med radioteleskopprojekt som Square Kilometre Array Observatory som för närvarande byggs i Western Australia och Sydafrika förväntar vi oss att upptäcka jets från svarta hål i miljontals avlägsna galaxer, och förankringspunkten som tillhandahålls av denna nya mätning kommer att hjälpa till att kalibrera deras totala effektutgång," fortsatte han, och skisserade en plan för att katalogisera universums kraftfullaste hårtorkar.

"Svarta håls jets ger en viktig källa av återkoppling till den omgivande miljön och är kritiska för att förstå galaxers utveckling," avslutade han, och påminde oss om att även kosmiska tomrum behöver uttrycka sig.

Andra samarbetspartners i forskningen inkluderade University of Barcelona, University of Wisconsin-Madison, University of Lethbridge och Institute of Space Science.