Rozwiązanie zagadki tajemniczego promieniowania z okolic czarnych dziur

W miarę jak gaz opada w dół ruchem spiralnym przez strukturę zwaną dyskiem akrecyjnym, rozgrzewa się coraz silniej do mniej więcej 10 milionów stopni Celsjusza. Źródło: Image courtesy of Johns Hopkins University


W swych najnowszych badaniach astrofizycy z John's Hopkins University, NASA, i Rochester Institute of Technology dowodzą, że rozrzut pomiędzy teorią a obserwacjami dotyczącymi czarnych dziur może być wyjaśniony procesem opadania gazu po torze spiralnym. To prowadzi do silnej emisji promieniowania X.

Zgodnie z opublikowanym już artykułem gaz ten w przypadku masywnych, czarnych dziur opada w dół po spirali, poprzez strukturę znaną jako dysk akrecyjny. Rozgrzewa się wówczas do temperatur rzędu 10 milionów stopni Celsjusza. Temperatura w głównej części dysku jest około 2000 razy wyższa niż na Słońcu, przez co emituje on tzw. „miękkie” promieniowanie X. Wykryto też jednak w tego typu układach „twarde” promieniowanie rentgenowskie, które niesie ze sobą mniej więcej 100 razy więcej energii.

Julian Krolik, profesor astronomii z Zanvyl Krieger School of Arts and Sciences, wraz ze swym zespołem naukowców przeprowadził badania bazujące zarówno na tradycyjnych wyliczeniach, jak i symulacjach komputerowych przy użyciu najnowocześniejszej techniki. Opierając się na 40 latach rozwoju stosownej teorii zespół wykazał – po raz pierwszy w historii nauki – że wysokoenergetyczna emisja jest w przypadku czarnych dziur nie tylko możliwa, ale wręcz stanowi konieczny skutek procesu opadania gorącego gazu na ich powierzchnię. „Czarne dziury to obiekty doprawdy egzotyczne, posiadające bardzo wysokie temperatury, niewiarygodne prędkości oraz siłę przyciągania grawitacyjnego. To w pełni ukazuje nam dziwność Ogólnej Teorii Względności” - mówi profesor. "Jednak nasze obliczenia dowodzą, że jesteśmy w stanie zrozumieć wiele rządzących nimi procesów, i to przy użyciu fizyki klasycznej."

W miarę jak jakość i ilość dostępnych obserwacji tych obiektów w dziedzinie wysokich energii wzrastała przez ostatnie lata, astronomowie zyskiwali coraz to nowe dowody na to, że tak wysokoenergetyczne fotony muszą powstawać w gorącym i zarazem cienkim obszarze zwanym koroną. Taka korona, gwałtownie podgrzewająca się ponad względnie chłodnym dyskiem akrecyjnym, przypomina nieco koronę słoneczną, która odpowiada za większość ultrafioletu i promieniowania X, jakie obserwuje się w widmie Słońca.

Do nowoczesnych symulacji numerycznych tego procesu wykorzystano superkomputer Ranger na Uniwersytecie Teksańskim. Rozwiązywał on zadany mu problem przez niemal cały miesiąc. Miał do rozwikłania m.in. równania rządzące bardzo złożonym ruchem napływającego strumienia gazu oraz przebiegiem pól magnetycznych w pobliżu powierzchni czarnej dziury. Przy gwałtownym wzroście temperatury, gęstości i prędkości gazu przepływającego przez dysk akrecyjny znacznie wzmacnia się także pole magnetyczne, które z kolei wywiera dodatkowy wpływ na opadający ciągle gaz.

W wyniku tego powstaje burzliwa „piana” krążąca wokół czarnej dziury z prędkością zbliżoną do prędkości światła. Obliczenia uwzględniają jednocześnie klasyczne, elektryczne i magnetyczne właściwości gazu, biorąc też pod uwagę Teorię Względności Einsteina. Na możliwości technologiczne, które pozwoliły na przeprowadzenie takiej symulacji we względnie krótkim czasie, Krolik i jego współpracownicy czekali całymi latami.


Liczba odsłon: 1124