Naukowcom udało się wyjaśnić promieniowanie rentgenowskie z otoczenia czarnej dziury. Promieniowanie to pochodzi z połączonego efektu chaotycznych ruchów pól magnetycznych i turbulentnego gazu plazmowego.
Korzystając ze szczegółowych symulacji superkomputerowych, naukowcy z Uniwersytetu w Helsinkach modelowali interakcje między promieniowaniem, plazmą i polami magnetycznymi wokół czarnych dziur. Stwierdzono, że chaotyczne ruchy wywołane przez pola magnetyczne ogrzewają lokalną plazmę i powodują jej promieniowanie.
Skupienie się na promieniowaniu X z dysków akrecyjnych
Czarna dziura powstaje, gdy duża gwiazda zapada się w tak gęstą koncentrację masy, że jej grawitacja uniemożliwia nawet światłu ucieczkę z jej strefy wpływów. Dlatego zamiast bezpośredniej obserwacji, czarne dziury można obserwować jedynie poprzez ich pośredni wpływ na otoczenie.
Większość obserwowanych czarnych dziur posiada gwiazdę towarzyszącą, z którą tworzy układ podwójny. W układzie podwójnym oba obiekty krążą wokół siebie, a materia gwiazdy towarzyszącej powoli spiralnie wpada do czarnej dziury. Ten powoli płynący strumień gazu często tworzy dysk akrecyjny wokół czarnej dziury, jasne, obserwowalne źródło promieniowania rentgenowskiego.
Od lat 70. XX wieku podejmowano próby modelowania promieniowania pochodzącego z przepływów akrecyjnych wokół czarnych dziur. Już wtedy uważano, że promieniowanie rentgenowskie jest generowane przez interakcję lokalnego gazu i pól magnetycznych, podobnie jak otoczenie Słońca jest ogrzewane przez jego aktywność magnetyczną za pomocą rozbłysków słonecznych.
Rozbłyski w dyskach akrecyjnych czarnych dziur są jak ekstremalne wersje rozbłysków słonecznych – powiedział profesor nadzwyczajny Joonas Nättilä. Nättilä kieruje grupą badawczą Computational Plasma Astrophysics na Uniwersytecie Helsińskim, która specjalizuje się w modelowaniu właśnie tego rodzaju ekstremalnej plazmy.
Interakcja promieniowanie-plazma
Symulacje wykazały, że turbulencje wokół czarnych dziur są tak silne, że nawet efekty kwantowe stają się ważne dla dynamiki plazmy.
W modelowanej mieszaninie plazmy elektronowo-pozytonowej i fotonów, lokalne promieniowanie rentgenowskie może przekształcić się w elektrony i pozytony, które następnie mogą anihilować z powrotem w promieniowanie, gdy wejdą w kontakt.
Nättilä opisuje, jak elektrony i pozytony, będące antycząstkami względem siebie, zazwyczaj nie spotykają się w tym samym miejscu. Jednak ekstremalnie energetyczne otoczenie czarnych dziur sprawia, że nawet to staje się możliwe. Ogólnie rzecz biorąc, promieniowanie nie oddziałuje z plazmą. Jednak w pobliżu czarnych dziur fotony są tak energetyczne, że ich interakcje z plazmą stają się istotne.
W codziennym życiu takie zjawiska kwantowe, w których materia nagle pojawia się w miejscu niezwykle jasnego światła, nie są oczywiście widoczne, ale w pobliżu czarnych dziur stają się kluczowe – powiedział Nättilä.
Lata zajęło nam zbadanie i dodanie do symulacji wszystkich zjawisk kwantowych występujących w naturze, ale ostatecznie było warto – dodał.
Dokładny obraz pochodzenia promieniowania
Badania wykazały, że turbulentna plazma naturalnie wytwarza rodzaj promieniowania rentgenowskiego obserwowanego z dysków akrecyjnych. Symulacja pozwoliła również po raz pierwszy zobaczyć, 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, podczas gdy w drugim jest nieprzezroczysta i gorąca.
Obserwacje rentgenowskie dysków akrecyjnych czarnych dziur wykazują dokładnie ten sam rodzaj zmienności między tak zwanymi stanami miękkimi i twardymi – podkreślił Nättilä.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
Uniwersytet Helsiński