Дослідники з Гельсінського університету досягли успіху в тому, чого прагнули з 1970-х років: пояснили рентгенівське випромінювання з навколишнього середовища чорної діри.
Завдяки докладному суперкомп’ютерному моделюванню, дослідники з Гельсінського університету змоделювали взаємодію між випромінюванням, плазмою та магнітними полями навколо чорних дір. Було виявлено, що хаотичні рухи, або турбулентність, спричинені магнітними полями, нагрівають локальну плазму і змушують її випромінювати.
Результати дослідження оприлюднено в Nature Communications. Моделювання, використане в дослідженні, є першою моделлю фізики плазми, яка включає всі важливі квантові взаємодії між випромінюванням і плазмою.
Чорна діра виникає, коли масивна зоря колапсує (стискається) в таку щільну концентрацію маси, що її гравітація не дає навіть світлу вийти зі сфери впливу такого об’єкта. Ось чому замість прямого спостереження чорні діри можна виявляти лише через їхній непрямий вплив на навколишнє середовище.
Більшість спостережуваних чорних дір мають зорю-компаньйона, з якою вони утворюють подвійну зоряну систему. У подвійній системі два об’єкти обертаються один навколо одного, і речовина зорі-компаньйона повільно перетікає по спіралі в чорну діру. Цей повільний потік газу часто утворює акреційний диск навколо чорної діри — яскраве, помітне джерело рентгенівського випромінювання.
З 1970-х років науковці робили спроби змоделювати випромінювання від акреційних дисків навколо чорних дір. Тоді вже вважали, що рентгенівські промені виникають через взаємодію місцевого газу та магнітних полів, подібно до того, як довкілля Сонця зазнає нагрівання його магнітною активністю через сонячні спалахи.
«Спалахи в акреційних дисках чорних дір схожі на екстремальні варіанти сонячних спалахів», — сказав доцент Йоонас Неттіла (Joonas Nättilä), який очолює дослідницьку групу з астрофізики обчислювальної плазми в Гельсінському університеті. Група спеціалізується на моделюванні саме такого типу екстремальної плазми.
Моделювання показало: турбулентність навколо чорних дір така сильна, що навіть квантові ефекти стають важливими для динаміки плазми.
У змодельованій суміші електронно-позитронної плазми та фотонів локальне рентгенівське випромінювання може перетворюватися на електрони та позитрони, які потім можуть анігілювати назад у випромінювання, коли вступають у взаємодію.
Електрони та позитрони, тобто античастинки, зазвичай не трапляються в одному місці. Однак надзвичайно енергійне оточення чорних дір робить навіть це можливим. Загалом, випромінювання також не взаємодіє з плазмою. Однак фотони такі енергійні навколо чорних дір, що їх взаємодія також важлива для плазми.
«У повсякденному житті такі квантові явища, коли матерія раптово з’являється на місці дуже яскравого світла, звичайно, не видно, але поблизу чорних дір вони стають вирішальними», — зазначив Неттіла. «Нам знадобилися роки, щоб дослідити та додати до симуляції всі квантові явища, що відбуваються в природі, але зрештою воно того варте», — додав він.
Дослідження показало, що турбулентна плазма природним чином створює рентгенівське випромінювання, яке астрономи спостерігають від акреційних дисків. Моделювання також дало змогу вперше побачити, що плазма навколо чорних дір може перебувати в двох різних станах рівноваги залежно від зовнішнього поля випромінювання. В одному стані плазма прозора і холодна, а в іншому — непрозора і гаряча.
«Рентгенівські спостереження акреційних дисків чорних дір демонструють точно такі ж варіації між так званим м’яким і жорстким станами», — зауважив Неттіла.
За інф. з сайту підготував https://phys.org Іван Крячко
