Black holes are a mystery – dense regions of space where there’s so much gravity not even light can escape.

They also have a strange relationship with magnetic fields that’s perhaps more mysterious still. We know magnetic fields surround many black holes, but they vary vastly in strength, and we’re not really sure how or why they form.

Now thanks to a new study, another piece of this strange puzzle has fallen into place. For the first time, astronomers have observed a magnetic field around a supermassive black hole playing a role in active feeding.

At the heart of Cygnus A – an active galaxy 600 million light-years away and one of the brightest radio sources in the sky – astronomers have seen evidence that magnetic fields are trapping the material that feeds into the supermassive black hole. Sort of like a cosmic net.

This may help scientists figure out why some galactic nuclei are hugely active, spewing out enormous collimated jets from their polar regions, while others – like the Milky Way’s own Sagittarius A* – are only intermittently active, and others seem completely dormant.

According to the unified model, active galactic nuclei – that is, a supermassive black hole at the centre of a galaxy that is actively feeding – will be ringed by an accretion disc of material that is falling into the black hole.

Outside that accretion disc is a torus, or doughnut-shaped structure, of dust and gas that feeds into the accretion disc.

How that structure is created, and why it stays there, are unclear – but observations of Cygnus A suggest that magnetic fields are at work to shape the torus and keep it in place.

cygnus a torus magnetic fields illustration

Illustration showing how magnetic fields would corral the torus. (NASA/SOFIA/Lynette Cook)

Traditionally, these structures have been difficult to observe in optical and radio wavelengths, but a new instrument is especially sensitive to the infrared emissions from aligned dust grains.

Using the High-resolution Airborne Wideband Camera-plus (HAWC+) on board NASA’s Stratospheric Observatory For Infrared Astronomy (SOFIA), astronomers have been able to isolate and observe the dusty torus at the heart of Cygnus A.

„It’s always exciting to discover something completely new,” said astronomer Enrique Lopez-Rodriguez of the SOFIA Science Center and the Universities Space Research Association.

„These observations from HAWC+ are unique. They show us how infrared polarisation can contribute to the study of galaxies.”

It’s not entirely clear, either, how black holes’ jets form.

We know one thing, they do not originate from beyond the event horizon, from which no electromagnetic radiation can escape.

It is thought that material from the inner edge of the accretion disc travels, again, along magnetic field lines around the outside of the black hole to be blasted out from the poles at speeds approaching that of light.

A recent study, however, found that the black hole called V404 Cygni has a much weaker magnetic field than expected, in spite of its strong jets – which means that the magnetic fields interacting with black holes may not need to be as strong as thought, or some other mechanism is at play.

Either way, future observations will be able to help shed some light on these complex dynamics, and how magnetic fields shape the extreme environments around supermassive black holes.

„If, for example, HAWC+ reveals highly polarised infrared emission from the centers of active galaxies but not from quiescent galaxies,” NASA noted, „it would support the idea that magnetic fields regulate black hole feeding and reinforce astronomers’ confidence in the unified model of active galaxies.”

The team’s research has been published in The Astrophysical Journal Letters.

Science And Nature

Găurile negre sunt un mister – regiuni dense de spațiu în care există atât de multă gravitate încât nici măcar lumina nu poate scăpa.

De asemenea, au o relație ciudată cu câmpurile magnetice, care este poate și mai misterioasă. Știm că sunt câmpuri magnetice care înconjoară multe găuri negre, dar acestea variază foarte mult ca intensitate și nu suntem foarte siguri cum sau de ce se formează.

Acum, mulțumită unui nou studiu, o altă piesă a acestui puzzle ciudat a fost așezată. Pentru prima dată, astronomii au observat un câmp magnetic în jurul unei găuri negre supermasive care joacă un rol în alimentarea activă.

În inima lui Cygnus A – o galaxie activă aflată la 600 de milioane de ani lumină și una dintre cele mai strălucitoare surse radio din cer – astronomii au găsit dovezi că câmpurile magnetice prind materialul cu care se hrănește în gaura neagră supermasivă. Un fel de plasă cosmică.

Acest lucru poate ajuta oamenii de știință să-și dea seama de ce unele nuclee galactice sunt extrem de active, scoțând la iveală enormele jeturi colimate din regiunile lor polare, în timp ce altele – cum ar fi propriul Săgetător al Căii Lactee A * – sunt doar activ intermitent, iar altele par complet latente.

Conform modelului unificat, nucleii galactici activi – adică o gaură neagră supermasivă din centrul unei galaxii care se hrănește activ – vor fi încercuite de un disc de acreție de material care se încadrează în gaura neagră.

În afara acelui disc de acreție se află un torus, sau o structură în formă de gogoșă, de praf și gaz care se introduce în discul de acumulare.

Cum este creată acea structură și de ce rămâne acolo, nu se știe – dar observațiile lui Cygnus A sugerează că câmpurile magnetice conlucrează pentru a modela torusul și a-l menține în loc.

În mod tradițional, aceste structuri au fost dificil de observat în lungimi de undă optice și radio, dar un instrument nou este deosebit de sensibil la emisiile infraroșii.

Folosind Camera-plus Airborne Wideband Camera-plus (HAWC +) de la bordul Observatorului Stratosferic al NASA pentru astronomia infraroșie (SOFIA), astronomii au reușit să izoleze și să observe torul de praf din inima Cygnus A.

„Este întotdeauna interesant să descoperi ceva complet nou”, a spus astronomul Enrique Lopez-Rodriguez de la SOFIA Science Center și Asociația de cercetare spațială a universităților.

„Aceste observații de la HAWC + sunt unice. Ele ne arată cum polarizarea în infraroșu poate contribui la studiul galaxiilor.”

Nu este deloc clar nici modul în care se formează jeturile din găuri negre.

Știm un lucru, ele nu provin de dincolo de orizontul evenimentului, din care nu poate scăpa nici o radiație electromagnetică.

Se crede că materialul de la marginea interioară a discului de acumulare se deplasează, din nou, de-a lungul liniilor de câmp magnetic din jurul părții exterioare a găurii negre, pentru a fi aruncat pe la poli, cu viteze care se apropie de cea a luminii.

Cu toate acestea, un studiu recent a constatat că gaura neagră numită V404 Cygni are un câmp magnetic mult mai slab decât se aștepta, în ciuda avizelor sale puternice – ceea ce înseamnă că câmpurile magnetice care interacționează cu găurile negre ar putea să nu fie nevoie să fie la fel de puternice precum se gândea, sau un alt mecanism este în joc.

Oricum, observațiile viitoare vor putea ajuta să arunce o lumină asupra acestor dinamici complexe și modul în care câmpurile magnetice modelează mediile extreme în jurul găurilor negre supermasive.

„Dacă, de exemplu, HAWC + dezvăluie o emisie infraroșie extrem de polarizată din centrele galaxiilor active, dar nu din galaxiile tranșante”, a menționat NASA, „ar susține ideea că câmpurile magnetice reglementează alimentarea cu materie a găurii negre și vor consolida încrederea astronomilor în modelul unificat de galaxii active ”.

Cercetările echipei au fost publicate în The Astrophysical Journal Letters.