Naukowcom udało się wyjaśnić promieniowanie rentgenowskie z otoczenia czarnej dziury. Pochodzi ono z połączonego efektu chaotycznych ruchów pól magnetycznych i turbulentnego gazu plazmowego.
Korzystając ze szczegółowych symulacji superkomputerowych, naukowcy z Uniwersytetu Helsińskiego 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 oddziaływania. Dlatego czarne dziury można obserwować jedynie poprzez ich pośredni wpływ na otoczenie.
Większość obserwowanych czarnych dziur posiada gwiazdę towarzyszącą, z którą tworzy układ podwójny. 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 siedemdziesiątych 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, stojący na czele grupy badawczej 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 ze sobą nawzajem.
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. Normalnie 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 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 – 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
Więcej informacji:
- Explanation found for X-ray radiation from black holes
- Radiative plasma simulations of black hole accretion flow coronae in the hard and soft states
Źródło: Uniwersytet Helsiński
Na ilustracji: Wizualizacja przedstawia ruch turbulentnej plazmy w koronie namagnesowanego dysku akrecyjnego. Źródło: Jani Närhi
