XRISM Menemui Aliran Dalaman Panas yang Mungkin Menggerakkan Jet Berkuasa Lubang Hitam

Lubang hitam yang menyedut jirim dengan pantas mendedahkan sempadan dalaman yang penting

Lubang hitam supermasif yang terletak kira-kira 420 juta tahun cahaya mungkin menghasilkan jet berkuasanya akibat perubahan bentuk dan suhu jirim yang jatuh ke arahnya. Pemerhatian terhadap galaksi 3C 120 menunjukkan bahawa cakera yang agak sejuk dan leper itu terhenti sebelum mencapai lubang hitam, lalu meninggalkan kawasan dalaman yang dipenuhi plasma jauh lebih panas dan berpotensi menampung medan magnet yang kuat.

Pasukan yang diketuai Profesor Madya Hirofumi Noda dari Universiti Tohoku dan Profesor Madya Kazuhiro Hada dari Universiti Bandar Nagoya menggabungkan pemerhatian daripada Misi Pengimejan dan Spektroskopi Sinar-X Jepun, yang dikenali sebagai XRISM, dengan pengukuran daripada tiga rangkaian teleskop radio antarabangsa. Secara bersama, instrumen-instrumen itu menghubungkan struktur jirim yang menghampiri lubang hitam dengan jet sempit yang muncul berhampirannya.

Penemuan yang diterbitkan dalam The Astrophysical Journal Letters pada 19 Oktober 2026 itu menjawab satu persoalan: bagaimana lubang hitam boleh menyedut jirim dengan pantas sambil melancarkan aliran plasma berkuasa yang bergerak hampir sepantas cahaya? Cakera yang dijangka terbentuk ketika proses penyedutan pantas sebelum ini dianggap tidak sesuai untuk mengumpulkan medan magnet yang diperlukan bagi proses itu.

Pengumuman penyelidikan Universiti Tohoku yang dikeluarkan pada 20 Oktober mengemukakan satu jawapan yang mungkin. Cakera luar yang lebih sejuk bertukar menjadi aliran dalaman yang panas, mewujudkan keadaan yang membolehkan medan magnet menyerap tenaga daripada putaran lubang hitam dan menyalurkannya ke dalam jet.

Mengapa 3C 120 menimbulkan persoalan

3C 120 terletak pada arah buruj Taurus. Lubang hitam di pusatnya mempunyai jisim kira-kira 60 juta kali jisim Matahari dan menyedut jirim di sekelilingnya dengan pantas sambil menghasilkan jet yang kuat. Gabungan ini menjadikannya sasaran yang berguna untuk mengkaji hubungan antara proses penyedutan jirim dengan penghasilan jet.

Jirim yang menghampiri lubang hitam biasanya mempunyai sedikit gerakan mengiring, jadi ia beredar ke dalam dan bukannya jatuh terus ke bawah. Jirim itu berkumpul menjadi cakera akresi, tempat geseran dan proses lain memanaskan bahan sehingga memancarkan cahaya serta sinaran lain. Ahli astronomi mengkaji sinaran itu untuk memahami kawasan yang tidak dapat mereka periksa secara langsung.

Proses penyedutan pantas lazimnya dijangka menghasilkan cakera yang agak sejuk dan nipis dari segi geometri, yang menjangkau hampir ke lubang hitam. Dalam konteks ini, sejuk bermaksud lebih sejuk berbanding plasma yang jauh lebih panas berhampiran pusat. Cakera nipis mempunyai ketebalan menegak yang kecil berbanding lebarnya, seumpama kepingan leper.

Kesukarannya berkaitan dengan kemagnetan. Penjelasan utama bagi jet berkuasa memerlukan medan magnet yang kuat berhampiran lubang hitam berputar. Cakera nipis dipercayai sukar mengekalkan struktur medan yang diperlukan. Aliran dalaman yang lebih panas dan tebal menawarkan keadaan yang lebih sesuai, menjadikan lokasi perubahan bentuk cakera itu tumpuan utama penyelidikan.

XRISM mengkaji cakera melalui besi

XRISM, sebuah misi Agensi Penerokaan Aeroangkasa Jepun, mengesan sinar-X yang dipancarkan oleh besi dalam bahan di sekitar lubang hitam 3C 120. Besi memancarkan sinaran pada tenaga tertentu, lalu menghasilkan ciri yang boleh dikenal pasti dan dipanggil garis pancaran dalam spektrum sinar-X. Spektrum mengasingkan sinaran mengikut tenaganya.

Garis besi berubah bentuk berhampiran lubang hitam. Bahan yang bergerak menghampiri atau menjauhi pemerhati mengubah tenaga sinaran yang diterima oleh mereka. Graviti kuat berhampiran lubang hitam turut mengubah tenaga sinar-X yang terlepas. Gabungan kesan ini menyebabkan garis tersebut melebar dan berubah bentuk.

Para penyelidik menggunakan perubahan bentuk itu untuk menganggarkan sejauh mana cakera yang agak sejuk menjangkau ke dalam. Universiti itu menyatakan bahawa pinggir dalamnya terletak kira-kira 20 kali jejari lubang hitam. Huraian saintifik menyatakan sempadan itu sebagai kira-kira 20 jejari graviti, iaitu skala jarak yang berasaskan jisim lubang hitam.

Di dalam sempadan itu, pasukan tersebut membuat kesimpulan bahawa alirannya berubah menjadi aliran panas yang tebal dari segi geometri. Plasma di situ dipercayai mencapai suhu ratusan juta darjah. Plasma ialah gas yang elektronnya telah terpisah daripada atom, membolehkan bahan itu berinteraksi dengan kuat dengan medan magnet.

Teleskop radio menjejaki jet ke arah dalam

Pemerhatian radio yang dibuat pada waktu yang hampir sama melengkapkan gambaran tersebut. Pasukan itu menggunakan Global Millimeter VLBI Array, Very Long Baseline Array dan East Asian VLBI Network untuk menjejaki jet ketika ia semakin mengecil ke arah lubang hitam.

Rangkaian ini menggabungkan pengukuran daripada teleskop yang terpisah jauh menerusi interferometri garis dasar sangat panjang, atau VLBI. Kaedah ini membolehkan ahli astronomi membezakan perincian yang jauh lebih halus berbanding keupayaan sebuah teleskop radio secara bersendirian. Dalam kajian ini, kaedah tersebut membantu mereka menjejaki jet ke arah puncanya.

Berdasarkan bentuk jet, para penyelidik menganggarkan bahawa jejari pangkalnya tidak melebihi kira-kira 10 jejari lubang hitam. Tafsiran gabungan mereka meletakkan punca jet di dalam aliran dalaman panas yang dikenal pasti melalui pengukuran sinar-X, berhampiran lubang hitam.

Noda, profesor madya Universiti Tohoku yang bersama-sama mengetuai penyelidikan itu, menjelaskan kepentingan menggabungkan pemerhatian tersebut:

Dengan memerhatikan lubang hitam yang sama menggunakan teleskop sinar-X dan radio tercanggih, kami dapat melihat kedua-dua plasma panas yang mengelilingi lubang hitam dan jet yang muncul daripadanya. Ini membolehkan kami menghubungkan secara langsung persekitaran ekstrem berhampiran lubang hitam dengan pembentukan jet.

Bagaimana putaran boleh membekalkan tenaga kepada jet

Penjelasan yang dikemukakan pasukan itu menghubungkan tiga unsur: lubang hitam yang berputar, aliran plasma panas yang masuk dan medan magnet yang kuat. Cakera luar yang lebih sejuk membekalkan jirim. Lebih hampir dengan lubang hitam, aliran yang lebih panas dan tebal menyediakan kawasan yang lebih mudah untuk medan magnet berkumpul.

Medan itu kemudian boleh mengekstrak sebahagian tenaga putaran lubang hitam dan menyalurkannya ke dalam aliran plasma yang sempit. Huraian teori utama bagi proses ini dikenali sebagai mekanisme Blandford-Znajek. Secara ringkas, medan magnet menghubungkan persekitaran berputar berhampiran lubang hitam dengan bahan yang memecut ke luar.

Oleh itu, jet dijana kuasanya berhampiran lubang hitam sementara bahan lain terus jatuh ke dalam. Sistem ini mempunyai dua gerakan yang saling berkaitan: bekalan jirim yang masuk dan aliran keluar yang membawa tenaga ke galaksi sekeliling.

Bagi 3C 120, para penyelidik mengemukakan bahawa perubahan daripada cakera luar yang nipis kepada aliran dalaman yang tebal menjadikan kedua-dua gerakan itu serasi. Struktur medan magnet yang tepat dan cara tenaga putaran dipindahkan ke dalam jet masih perlu dikaji dengan lebih lanjut.

Perubahan struktur menghubungkan hasil pengukuran

Tajuk makalah itu, "Disk truncation triggers relativistic jet launching of a highly accreting supermassive black hole," merumuskan hubungan yang dikemukakan. Pemotongan cakera bermaksud bahagian cakera yang lebih sejuk dan nipis berakhir sebelum mencapai lubang hitam. Relativistik merujuk kepada gerakan yang cukup pantas sehingga teori kerelatifan Einstein penting untuk memahaminya.

Pengukuran sinar-X menentukan lokasi sempadan dalaman cakera yang lebih sejuk itu. Pengukuran radio menjejaki jet ke arah kawasan di dalam sempadan tersebut. Jika dibaca bersama, pemerhatian itu memberikan penjelasan ruang kepada para penyelidik tentang bagaimana sistem yang menyedut jirim dengan pantas boleh mengekalkan keadaan yang sesuai untuk menghasilkan jet berkuasa.

Hal ini lebih khusus daripada sekadar menemukan cakera dan jet pada objek yang sama. Kajian tersebut menghubungkan perubahan struktur cakera dengan lokasi jet bermula, sekali gus meletakkan bahan yang masuk dan keluar dalam gambaran fizikal yang sama.

3C 120 amat berguna kerana ia menyedut jirim dengan agak pantas. Penyelidikan itu membandingkannya dengan galaksi aktif yang menyedut jirim dengan lebih lemah, seperti M87, yang aliran panas dan tebalnya telah membantu menyokong penjelasan magnet bagi penghasilan jet. Hasil baharu ini meluaskan penyelidikan tersebut kepada persekitaran penyedutan jirim yang berbeza.

Mengapa hasil ini penting melangkaui sebuah galaksi

Jet membawa tenaga menjauhi persekitaran terdekat lubang hitam supermasif. Apabila berinteraksi dengan gas di dalam dan sekitar galaksi, jet boleh mengubah keadaan yang mempengaruhi pembentukan bintang. Oleh itu, memahami enjin berhampiran lubang hitam membantu para penyelidik mengkaji perubahan pada skala yang jauh lebih besar.

Penemuan tentang 3C 120 memberikan hubungan konkrit antara skala-skala itu: struktur jirim yang masuk mungkin membantu menentukan sama ada jet berkuasa boleh terbentuk. Sempadan berhampiran lubang hitam boleh mempengaruhi cara tenaga disalurkan jauh ke luar.

Pasukan itu sedang menjalankan pemerhatian terkoordinasi selanjutnya terhadap lubang hitam yang lebih besar jisimnya menggunakan XRISM dan balai cerap radio global. Para penyelidik juga merancang untuk membandingkan pengukuran itu dengan model teori dan simulasi komputer, bagi menguji sejauh mana geometri yang dicadangkan dapat menjelaskan tingkah laku jirim dan medan magnet.

Noda menjelaskan tujuan peringkat seterusnya itu:

Matlamat kami seterusnya ialah membina gambaran yang lebih lengkap tentang bagaimana jirim, medan magnet dan putaran lubang hitam berinteraksi dalam persekitaran ekstrem ini. Memahami proses ini juga mungkin membantu kami memahami dengan lebih baik bagaimana lubang hitam supermasif mempengaruhi evolusi galaksi dan struktur Alam Semesta yang lebih besar.

Penerbitan dan pemerhatian seterusnya

Penyelidikan ini menggabungkan misi sinar-X Jepun dengan rangkaian radio yang merentasi beberapa rantau. Pengukuran saling melengkapi ini menjadi teras kaedah tersebut: sinar-X mendedahkan keadaan dalam aliran akresi, manakala pemerhatian radio menjejaki struktur jet.

Urutan penerbitan dan tindakan susulan yang dirancang adalah seperti berikut:

• 19 Oktober 2026: The Astrophysical Journal Letters menerbitkan kajian yang diketuai Noda dan Hada.
• 20 Oktober 2026: Universiti Tohoku mengumumkan penemuan itu dan menghuraikan pemerhatian sinar-X serta radio yang digabungkan.
• Peringkat seterusnya: Pasukan itu sedang menjalankan pemerhatian terkoordinasi terhadap lubang hitam yang lebih besar jisimnya serta membandingkan hasilnya dengan model dan simulasi.

Makalah itu mempunyai DOI 10.3847/2041-8213/aeaa2c. Butiran penerbitan ini turut disenaraikan dalam pengumuman rasmi kajian. Menggunakan kaedah pemerhatian yang sama pada lubang hitam lain akan membolehkan pasukan itu menyiasat sama ada peralihan struktur yang ditemukan pada 3C 120 turut berlaku dalam sistem yang berbeza.

Perkara Utama

• XRISM dan tiga rangkaian teleskop radio mengkaji 3C 120, yang terletak kira-kira 420 juta tahun cahaya.
• Lubang hitam galaksi itu mempunyai jisim kira-kira 60 juta kali jisim Matahari dan menyedut jirim dengan pantas sambil melancarkan jet yang kuat.
• Pengukuran sinar-X menunjukkan bahawa cakera nipis yang lebih sejuk berakhir sebelum mencapai lubang hitam, lalu berubah menjadi aliran dalaman yang jauh lebih panas.
• Pemerhatian radio menjejaki punca jet ke kawasan yang diduduki aliran panas itu.
• Pasukan itu mengemukakan bahawa medan magnet yang berkumpul di situ boleh memanfaatkan tenaga putaran lubang hitam untuk menggerakkan jet.
• Pemerhatian selanjutnya akan mengkaji lubang hitam yang lebih besar jisimnya serta menguji penjelasan tersebut berbanding model teori dan simulasi.