На визуализации показано, как турбулентная плазма движется в короне намагниченного аккреционного диска. Фото предоставлено: Яни Нярхи
Исследователи из Хельсинкского университета достигли цели, которую преследовали с 1970-х годов: объяснить рентгеновские лучи, исходящие от черных дыр. Излучение возникает в результате совместного воздействия хаотических движений магнитных полей и турбулентного плазменного газа.
Используя детальное суперкомпьютерное моделирование, исследователи из Хельсинкского университета смоделировали взаимодействие между излучением, плазмой и магнитными полями вокруг черных дыр. Они обнаружили, 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, которая учитывает все важные квантовые взаимодействия между излучением и плазмой.
Рентгеновские лучи от аккреционных дисков в фокусе
Черная дыра образуется, когда большая звезда коллапсирует до такой плотной концентрации массы, что ее гравитация не позволяет даже свету покинуть сферу ее влияния. Поэтому вместо прямого наблюдения черные дыры можно наблюдать только через их косвенное воздействие на окружающую среду.
У большинства наблюдаемых черных дыр есть звезда-компаньон, с которой они образуют двойную звездную систему. В двойной звездной системе два объекта вращаются вокруг друг друга, и вещество звезды-компаньона медленно движется по спирали в черную дыру. Этот медленно движущийся поток газа часто образует аккреционный диск вокруг черной дыры — яркий наблюдаемый источник рентгеновского излучения.
С 1970-х годов предпринимались попытки смоделировать излучение аккреционных токов вокруг черных дыр. Уже тогда предполагалось, что рентгеновские лучи создаются в результате взаимодействия местного газа и магнитных полей, подобно тому, как окрестности Солнца нагреваются за счет его магнитной активности в виде солнечных вспышек.
«Извержения в аккреционных дисках черных дыр подобны экстремальным версиям солнечных вспышек», — говорит Йоонас Няттиля, доцент и руководитель исследовательской группы вычислительной плазменной астрофизики в Университете Хельсинки, который специализируется на моделировании именно этого типа экстремальной плазмы.
Радиационно-плазменное взаимодействие
Моделирование показало, что турбулентность вокруг черных дыр настолько сильна, что даже квантовые эффекты становятся важными для динамики плазмы.
В смоделированной смеси электрон-позитронной плазмы и фотонов локальные рентгеновские лучи могут трансформироваться в электроны и позитроны, которые затем могут снова аннигилировать в излучение при контакте.
Няттиля описывает, что электроны и позитроны, являющиеся античастицами друг друга, обычно не встречаются в одном и том же месте. Однако чрезвычайно энергетическая среда черных дыр делает даже это возможным. Излучение также обычно не взаимодействует с плазмой. Однако вблизи черных дыр фотоны настолько энергичны, что их взаимодействие важно и для плазмы.
«В повседневной жизни такие квантовые явления, при которых вместо чрезвычайно яркого света внезапно появляется материя, конечно, неизвестны, но в окрестностях черных дыр они приобретают решающее значение», — говорит Няттиля.
«Мы потратили годы на изучение всех квантовых явлений, происходящих в природе, и включение их в моделирование, но, в конце концов, оно того стоило», — добавляет он.
Точная картина происхождения радиации
Исследование показало, что турбулентная плазма естественным образом производит рентгеновские лучи, наблюдаемые от аккреционных дисков. Моделирование также позволило впервые увидеть, что плазма вокруг черных дыр может существовать в двух разных состояниях равновесия в зависимости от внешнего поля излучения. В одном состоянии плазма прозрачна и холодна, а в другом — непрозрачна и горяча.
«Рентгеновские наблюдения аккреционных дисков черных дыр показывают точно такой же тип изменений между так называемыми мягкими и жесткими состояниями», — подчеркивает Няттиля.
Информация от: Хельсинкским университетом
