Superračunarske simulacije konačno rasvetljavaju rendgensko zračenje crnih rupa

Foto: ESO/M. Kornmesser / AFP / Profimedia

Crne rupe su među najfascinantnijim, ali i najsloženijim objektima u svemiru. One nastaju kada se masivne zvezde uruše u tačku gde njihova gravitacija postaje toliko snažna da čak ni svetlost ne može da pobegne. Zbog toga se crne rupe ne mogu direktno posmatrati, već se njihovo prisustvo otkriva kroz indirektne efekte koje imaju na svoju okolinu.

Jedan od najznačajnijih načina na koji crne rupe otkrivamo jeste kroz rendgensko zračenje koje dolazi iz takozvanih akrecionih diskova – svetlih diskova gasa i prašine koji kruže oko crne rupe dok se materijal zvezde pratilje polako spiralno uvlači u nju. Ove zračne pojave bile su predmet istraživanja još od 1970-ih, ali su tek sada, zahvaljujući naprednim superračunarskim simulacijama, istraživači uspeli da detaljno objasne njihovo poreklo.

Preporučujemo

Koristeći sofisticirane simulacije na superračunarima, tim sa Univerziteta u Helsinkiju, predvođen docentom Jonasom Nätilom, uspeo je da modeluje složene interakcije između plazme, magnetnih polja i zračenja u okruženju crnih rupa. Njihovo istraživanje, objavljeno u časopisu Nature Communications, predstavlja prvi model plazma fizike koji uključuje sve ključne kvantne interakcije između zračenja i plazme.

Studija je pokazala da su haotična kretanja, poznata kao turbulencije, u magnetnim poljima oko crnih rupa dovoljno snažna da zagreju lokalnu plazmu do tačke gde ona počinje da emituje rendgensko zračenje. Ovaj proces je na neki način sličan fenomenu solarnih baklji na Suncu, ali u znatno ekstremnijim uslovima, piše Phys.org.

- Baklje u akrecionim diskovima crnih rupa su kao ekstremne verzije solarnih baklji, što ukazuje na sličnost između fenomena koji se odvijaju na Suncu i onih koji se dešavaju u mnogo ekstremnijim uslovima oko crnih rupa – izjavio je Nätilä.

Jedan od najzanimljivijih aspekata ovog istraživanja je otkriće da su turbulencije u blizini crnih rupa toliko intenzivne da čak i kvantni efekti postaju ključni za dinamiku plazme. U ovim ekstremnim uslovima, lokalno rendgensko zračenje može da se pretvori u elektrone i pozitrone – antidele jedne drugima – koje se potom mogu ponovo poništiti i vratiti u zračenje.

- Ono što je posebno fascinantno je da u svakodnevnom životu ovakvi kvantni fenomeni, gde materija iznenada nastaje iz izuzetno jarke svetlosti, naravno, nisu vidljivi. Ali u blizini crnih rupa, oni postaju ključni - objašnjava Nätilä.

Ovaj fenomen je poznat kao parno stvaranje i uništenje, što je klasični kvantni proces gde se parovi čestica i antičestica stvaraju i uništavaju u prisustvu visokoenergetskih fotona. Ovaj proces se inače ne dešava u svakodnevnim uslovima, ali u ekstremnim gravitacionim poljima crnih rupa, on postaje značajan.

Još jedan značajan rezultat ove studije je otkriće da plazma oko crnih rupa može postojati u dva različita stanja ravnoteže, zavisno od spoljašnjeg zračenja. U jednom stanju, plazma je hladna i prozirna, dok je u drugom stanju vrela i neprozirna. Ovo je direktno povezano sa takozvanim mekim i tvrdim stanjima koja se posmatraju u rendgenskom zračenju iz akrecionih diskova crnih rupa.

- Rendgenska posmatranja akrecionih diskova crnih rupa pokazuju upravo takvu vrstu varijacije između mekih i tvrdih stanja, što potvrđuje rezultate njihove simulacije i ukazuje na njenu verodostojnost - naglasio je Nätilä.

Ova studija predstavlja značajan napredak u razumevanju fizike crnih rupa i njihovog okruženja. Kombinacijom najnovijih simulacija i detaljnog proučavanja kvantnih fenomena, istraživači su uspeli da po prvi put pruže precizno objašnjenje porekla rendgenskog zračenja iz akrecionih diskova crnih rupa.

Njihovi rezultati ne samo da potvrđuju ranije teorije o interakcijama između plazme i magnetnih polja, već takođe otkrivaju nove i fascinantne detalje o kvantnim procesima koji se dešavaju u ekstremnim uslovima u svemiru. Ova otkrića će imati dugoročne implikacije na buduća istraživanja crnih rupa i visokih energija astrofizike uopšte.

(Telegraf Nauka / Phys.org)