Jak powstają dżety czarnych dziur
Naukowcy opracowali kod numeryczny, który pozwolił matematycznie opisać, jak powstają dżety czarnych dziur. Pozwoli to lepiej zrozumieć, jak te niezwykle gęste obiekty wpływają na swoje otoczenie, rozpędzając materię niemal do prędkości światła.
.Sto lat przed opublikowaniem przez program naukowy Event Horizon Telescope pierwszego zdjęcia czarnej dziury znajdującej się w centrum galaktyki M87 w 2019 roku, astronom Heber Curtis odkrył już dziwny dżet wychodzący z jej centrum. Obecnie astronomowie wiedzą, że jest to strumień pochodzący od czarnej dziury nazwanej M87*. Takie dżety są również emitowane przez inne obiekty tego typu. Aby lepiej je poznać, naukowcy z Goethe University opracowali kod numeryczny, który z dużą precyzją matematyczną opisuje, w jaki sposób czarne dziury przekształcają swoją energię obrotową w dżety poruszające się z prędkościami relatywistycznymi – bliskimi prędkości światła. Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie „The Astrophysical Journal Letters”.
Astronomowie początkowo nie wiedzieli, że jasna plamka w konstelacji Panny, którą Charles Messier opisał w 1781 roku jako „87: Mgławica bez gwiazd”, jest w rzeczywistości bardzo dużą galaktyką. Przez co również zastanawiali się czym może być niecodzienny strumień, odkryty w 1918 roku, wychodzący z centrum tego obiektu.
Jednak po dokładnym zbadaniu, naukowcy wiedzą już, że M87 jest gigantyczną galaktyką, w której centrum znajduje się czarna dziura M87*, która ma niezwykłą masę sześciu i pół miliarda mas Słońca i szybko obraca się wokół własnej osi. Energia z obrotu tego obiektu napędza dżet cząstek, wyrzucanych z prędkością bliską prędkości światła, rozciągających się na ogromną odległość 5 tysięcy lat świetlnych. Takie strumienie są również generowane przez inne obracające się czarne dziury. Przyczyniają się one do rozpraszania energii i materii w całym Wszechświecie i mogą wpływać na ewolucję całych galaktyk.
W ramach nowego badania, astronomowie opracowali kod numeryczny o nazwie Frankfurt particle-in-cell code for black hole spacetimes (FPIC), który z dużą precyzją opisuje procesy przekształcania energii obrotowej w strumień cząstek.
Oprócz mechanizmu Blandforda-Znajka, który dotychczas naukowcy uważali za odpowiedzialny za pozyskiwanie energii obrotowej z czarnej dziury za pomocą silnych pól magnetycznych, badacze odkryli, że w generowaniu energii bierze udział jeszcze jeden proces, znany jako rekoneksja magnetyczna. W procesie tym linie pola magnetycznego ulegają rozpadowi i ponownemu połączeniu, co prowadzi do przekształcenia energii magnetycznej w ciepło, promieniowanie i erupcje plazmy.
Naukowcy wykorzystali kod FPIC do symulacji ewolucji ogromnej liczby naładowanych cząstek i ekstremalnych pól elektromagnetycznych pod wpływem silnej grawitacji czarnej dziury.
„Symulacja takich procesów ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia złożonej dynamiki plazmy poruszającej się z prędkościami relatywistycznymi w zakrzywionych czasoprzestrzeniach w pobliżu obiektów zwartych, które podlegają oddziaływaniu ekstremalnych pól grawitacyjnych i magnetycznych” – mówi Claudio Meringolo z Goethe University.
W płaszczyźnie równikowej czarnej dziury obliczenia naukowców ujawniły intensywną aktywność rekoneksji magnetycznej, prowadzącą do powstania łańcucha plazmoidów –kondensacji plazmy w energetycznych „bańkach” – poruszających się z prędkością bliską prędkości światła. Według badacz procesowi temu towarzyszy wytwarzanie cząstek o ujemnej energii, która jest wykorzystywana do zasilania ekstremalnych zjawisk astrofizycznych, takich jak dżety i erupcje plazmy.
.„Nasze badanie wskazuje na możliwość, że mechanizm Blandforda-Znajka nie jest jedynym procesem astrofizycznym zdolnym do wydobywania energii obrotowej z czarnej dziury, ale przyczynia się do tego również rekoneksja magnetyczna. Dzięki temu możemy lepiej zrozumieć, jak powstają dżety czarnych dziur” – podsumowuje Filippo Camilloni z Goethe University.
Oprac. EG
