Naukowcy z Uniwersytetu Helsińskiego pogłębili naszą wiedzę na temat czarnych dziur, korzystając z symulacji superkomputerowych, ujawniając, w jaki sposób pola magnetyczne powodują turbulencje, które podgrzewają osocze i wytwarza promieniowanie rentgenowskie obserwowalne z Ziemi.
Ich przełomowe badanie, które objęło wszystkie istotne interakcje kwantowe między promieniowaniem a plazmą, pokazuje, że plazma wokół czarnych dziur może istnieć w dwóch stanach, co znacząco przyczynia się do naszej wiedzy o zjawiskach kosmicznych.
Korzystając ze szczegółowych symulacji superkomputerowych, naukowcy z Uniwersytetu Helsińskiego stworzyli model interakcji między promieniowaniem, plazmą i polami magnetycznymi wokół czarnych dziur. Odkryto, że chaotyczne ruchy, czyli turbulencje, wywołane przez pola magnetyczne, podgrzewają lokalną plazmę i powodują jej promieniowanie.
Zrozumienie dynamiki czarnej dziury
A czarna dziura powstaje, gdy duża gwiazda zapada się w tak gęstą koncentrację masy, że jej grawitacja uniemożliwia nawet światłu ucieczkę ze strefy wpływów. Dlatego zamiast bezpośredniej obserwacji czarne dziury można obserwować jedynie poprzez ich pośredni wpływ na środowisko.
Większość obserwowanych czarnych dziur ma gwiazdę towarzyszącą, z którą tworzą układ podwójny. W układzie podwójnym oba obiekty krążą wokół siebie, a materia gwiazdy towarzyszącej powoli wpada do czarnej dziury. Ten wolno płynący strumień gazu często tworzy dysk akrecyjny wokół czarnej dziury, jasnego, obserwowalnego źródła promieni rentgenowskich.
Zaawansowane modelowanie dysków akrecyjnych
Od lat 70. XX wieku podejmowano próby modelowania promieniowania pochodzącego z przepływów akrecyjnych wokół czarnych dziur. Już wówczas sądzono, że promieniowanie rentgenowskie powstaje w wyniku interakcji lokalnego gazu i pól magnetycznych, podobnie jak otoczenie Słońca ogrzewa się w wyniku jego aktywności magnetycznej poprzez rozbłyski słoneczne.
„Rozbłyski w dyskach akrecyjnych czarnych dziur przypominają ekstremalne wersje rozbłysków słonecznych” – mówi profesor nadzwyczajny Joonas Nättilä. Nättilä kieruje grupą badawczą Computational Plasma Astrophysics na Uniwersytecie Helsińskim, która specjalizuje się w dokładnym modelowaniu tego rodzaju ekstremalnej plazmy.
Zjawiska kwantowe w dynamice plazmy
Symulacje wykazały, że turbulencje wokół czarnych dziur są tak silne, że nawet efekty kwantowe stają się istotne dla dynamiki plazmy.
W modelowanej mieszaninie plazmy elektronowo-pozytonowej i fotonów lokalne promieniowanie rentgenowskie może zamienić się w elektrony i pozytony, które w momencie zetknięcia mogą ponownie anihilować w promieniowanie.
Nättilä opisuje, jak elektrony i pozytony, będące wobec siebie antycząstkami, zwykle nie występują w tym samym miejscu. Jednak niezwykle energetyczne otoczenie czarnych dziur umożliwia nawet to. Ogólnie rzecz biorąc, promieniowanie również nie oddziałuje z plazmą. Jednak fotony wokół czarnych dziur są tak energetyczne, że ich interakcje są ważne również dla plazmy.
„W życiu codziennym takich zjawisk kwantowych, w których materia nagle pojawia się w miejscu niezwykle jasnego światła, oczywiście nie widać, ale w pobliżu czarnych dziur stają się one kluczowe” – mówi Nättilä.
„Zbadanie i dodanie do symulacji wszystkich zjawisk kwantowych zachodzących w przyrodzie zajęło nam lata, ale ostatecznie było warto” – dodaje.
Spostrzeżenia z burzliwej plazmy i promieniowania
Badanie wykazało, że burzliwa plazma w naturalny sposób wytwarza rodzaj promieniowania rentgenowskiego obserwowanego w dyskach akrecyjnych. Symulacja umożliwiła także po raz pierwszy zaobserwowanie, że plazma wokół czarnych dziur może znajdować się w dwóch różnych stanach równowagi, w zależności od zewnętrznego pola promieniowania. W jednym stanie plazma jest przezroczysta i zimna, w drugim nieprzezroczysta i gorąca.
„Obserwacje rentgenowskie dysków akrecyjnych czarnych dziur pokazują dokładnie ten sam rodzaj zróżnicowania między tak zwanymi stanami miękkimi i twardymi” – zauważa Nättilä.
Badanie opublikowano w cenionym czasopiśmie Komunikacja przyrodnicza. Symulacja zastosowana w badaniu jest pierwszym modelem fizyki plazmy, który uwzględnia wszystkie ważne interakcje kwantowe między promieniowaniem a plazmą.
Odniesienie: „Promieniste symulacje plazmy korony przepływu akrecji czarnej dziury w stanach twardych i miękkich” Joonas Nättilä, 15 sierpnia 2024 r., Komunikacja przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41467-024-51257-1
Badanie stanowi część projektu kierowanego przez Nättilä i finansowanego z grantu dla początkujących naukowców w wysokości 2,2 mln euro od Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych, którego celem jest zrozumienie interakcji między plazmą i promieniowaniem.
