Суперкомпьютерное моделирование предлагает объяснение рентгеновского излучения от черных дыр

Исследователи из Университета Хельсинки добились успеха в том, что преследовалось с 1970-х годов: объяснили рентгеновское излучение из окрестностей черных дыр. Это излучение возникает в результате совместного воздействия хаотических движений магнитных полей и турбулентного плазменного газа.

Используя детальные суперкомпьютерные симуляции, исследователи из Университета Хельсинки смоделировали взаимодействие между излучением, плазмой и магнитными полями вокруг черных дыр. Было обнаружено, что хаотические движения, или турбулентность, вызванные магнитными полями, нагревают местную плазму и заставляют ее излучать.

Исследование было опубликовано в журнале Nature Communications. Моделирование, использованное в исследовании, является первой моделью физики плазмы, включающей все важные квантовые взаимодействия между излучением и плазмой.

Фокус на рентгеновском излучении от аккреционных дисков

Черная дыра образуется, когда крупная звезда превращается в настолько плотное скопление массы, что ее гравитация не позволяет даже свету покинуть сферу ее влияния. Именно поэтому вместо прямого наблюдения черные дыры можно наблюдать только через их косвенное воздействие на окружающую среду.

Большинство наблюдаемых черных дыр имеют звезду-компаньона, с которой они образуют бинарную звездную систему. В бинарной системе два объекта обращаются друг вокруг друга, и вещество звезды-компаньона медленно вращается по спирали в черную дыру. Этот медленно текущий поток газа часто образует аккреционный диск вокруг черной дыры – яркий, наблюдаемый источник рентгеновского излучения.

С 1970-х годов предпринимались попытки смоделировать излучение аккреционных потоков вокруг черных дыр. В то время уже считалось, что рентгеновское излучение генерируется за счет взаимодействия местного газа и магнитных полей, подобно тому, как окрестности Солнца нагреваются за счет его магнитной активности в результате солнечных вспышек.

“Вспышки в аккреционных дисках черных дыр похожи на экстремальные версии солнечных вспышек”, – говорит доцент Йоонас Няттиля, возглавляющий исследовательскую группу Computational Plasma Astrophysics в Университете Хельсинки, которая специализируется на моделировании именно такого рода экстремальной плазмы.

Взаимодействие излучения и плазмы

Моделирование показало, что турбулентность вокруг черных дыр настолько сильна, что даже квантовые эффекты становятся важными для динамики плазмы.

В смоделированной смеси электронно-позитронной плазмы и фотонов местное рентгеновское излучение может превращаться в электроны и позитроны, которые при контакте аннигилируют обратно в излучение.

Няттиля рассказывает, что электроны и позитроны, античастицы друг друга, обычно не встречаются в одном и том же месте. Однако чрезвычайно энергичное окружение черных дыр делает возможным даже это. В целом излучение также не взаимодействует с плазмой. Однако вблизи черных дыр фотоны настолько энергичны, что их взаимодействие также важно для плазмы.

“В повседневной жизни такие квантовые явления, когда материя внезапно появляется на месте чрезвычайно яркого света, конечно, не наблюдаются, но вблизи черных дыр они приобретают решающее значение”, – говорит Няттиля.

“Нам потребовались годы, чтобы изучить и добавить в симуляцию все квантовые явления, происходящие в природе, но, в конце концов, это того стоило”, – добавляет он.

Точное представление о происхождении излучения

Исследование показало, что турбулентная плазма естественным образом порождает рентгеновское излучение, наблюдаемое в аккреционных дисках. Моделирование также позволило впервые увидеть, что плазма вокруг черных дыр может находиться в двух различных равновесных состояниях в зависимости от внешнего поля излучения. В одном состоянии плазма прозрачная и холодная, а в другом – непрозрачная и горячая.

“Рентгеновские наблюдения за аккреционными дисками черных дыр показывают точно такие же колебания между так называемыми мягкими и жесткими состояниями”, – отмечает Няттиля.

Эти результаты открывают новые горизонты для астрономов, стремящихся глубже понять природу черных дыр и их влияние на окружающую среду. Теперь, когда исследователи могут моделировать взаимодействия между плазмой, магнитными полями и излучением с высокой точностью, они способны лучше интерпретировать данные, полученные с помощью рентгеновских обсерваторий, таких как XMM-Newton и Chandra. Это может привести к созданию более точных моделей формирования черных дыр и их аккреционных процессов.

Дальнейшие исследования могут сосредоточиться на поиске сигналов, которые указывают на наличие экзотических веществ или явлений, связанных с квантовой механикой. Ученые также рассматривают возможность применения своих моделей к другим астрофизическим объектам, где присутствует плазма и сильные магнитные поля, например, в нейтронных звездах или в процессе формирования новых звезд.

Таким образом, работа исследовательской группы из Университета Хельсинки не только объясняет ранее загадочные явления, но и открывает новые пути для изучения вселенной. Это исследование подчеркивает важность междисциплинарного подхода, объединяющего физику плазмы, астрофизику и квантовую механику, для разрешения самых сложных загадок космоса.