Badaczom z Uniwersytetu Helsińskiego udało się osiągnąć coś, co było przedmiotem badań od lat 70.: wyjaśnienie promieniowania rentgenowskiego z otoczenia czarnej dziury. Promieniowanie to pochodzi z połączonego efektu chaotycznych ruchów pól magnetycznych i turbulentnego gazu plazmowego.
Wykorzystując szczegółowe symulacje superkomputerowe, naukowcy z Uniwersytetu Helsińskiego zmodelowali interakcje między promieniowaniem, plazmą i polami magnetycznymi wokół czarnych dziur. Odkryto, że chaotyczne ruchy lub turbulencje spowodowane przez pola magnetyczne podgrzewają lokalną plazmę i powodują jej promieniowanie.
Skup się na promieniowaniu rentgenowskim 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 wpływu. Dlatego zamiast bezpośredniej obserwacji, czarne dziury można obserwować tylko poprzez ich pośredni wpływ na środowisko.
Większość obserwowanych czarnych dziur ma gwiazdę towarzyszącą, z którą tworzą układ podwójny. W układzie podwójnym dwa obiekty krążą wokół siebie, a materia gwiazdy towarzyszącej powoli wpada spiralnie do czarnej dziury. Ten wolno płynący strumień gazu często tworzy dysk akrecyjny wokół czarnej dziury, jasne, obserwowalne źródło promieni rentgenowskich.
Od lat 70. podejmowano próby modelowania promieniowania z przepływów akrecyjnych wokół czarnych dziur. W tym czasie uważano już, że promienie rentgenowskie powstają w wyniku oddziaływania lokalnego gazu i pól magnetycznych, podobnie jak otoczenie Słońca jest ogrzewane przez jego aktywność magnetyczną za pośrednictwem rozbłysków słonecznych.
„Błyski w dyskach akrecyjnych czarnych dziur są jak ekstremalne wersje rozbłysków słonecznych” – mówi 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 promieniowania z plazmą
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 przekształcić się w elektrony i pozytony, które następnie mogą ulec anihilacji i powrócić do promieniowania w momencie zetknięcia.
Nättilä opisuje, jak elektrony i pozytony, antycząstki względem siebie, zazwyczaj nie występują w tym samym miejscu. Jednak niezwykle energetyczne otoczenie czarnych dziur sprawia, że nawet to jest możliwe. Generalnie promieniowanie również nie oddziałuje z plazmą. Jednak fotony są tak energetyczne wokół czarnych dziur, że ich oddziaływania są również ważne dla plazmy.
„W życiu codziennym takie zjawiska kwantowe, w których materia nagle pojawia się w miejscu niezwykle jasnego światła, oczywiście nie są widoczne, ale w pobliżu czarnych dziur stają się kluczowe” – mówi Nättilä.
„Zajęło nam lata badanie i dodawanie do symulacji wszystkich zjawisk kwantowych zachodzących w naturze, ale ostatecznie było warto” – dodaje.
Dokładny obraz pochodzenia promieniowania
Badanie wykazało, że turbulentna plazma naturalnie wytwarza rodzaj promieniowania rentgenowskiego obserwowanego z dysków akrecyjnych. Symulacja umożliwiła również po raz pierwszy zobaczenie, że plazma wokół czarnych dziur może znajdować się w dwóch odrębnych 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 pokazują dokładnie ten sam rodzaj zmienności między tak zwanymi stanami miękkimi i twardymi” – podkreśla Nättilä.
Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie Nature Communications. Symulacja wykorzystana w badaniu jest pierwszym modelem fizyki plazmy, który obejmuje wszystkie ważne oddziaływania kwantowe między promieniowaniem a plazmą. Badanie jest częścią projektu kierowanego przez Nättilä i finansowanego ze środków Starting Grant w wysokości 2,2 mln euro z European Research Council, którego celem jest zrozumienie oddziaływań między plazmą a promieniowaniem.