Naukowcom udało się przy użyciu superkomputerów dokonać symulacji najbardziej tajemniczego obiektu w kosmosie, jakim jest rotująca czarna dziura. Model, który został opracowany przez naukowców z należącego do NASA Jet Propulsion Laboratory, dobrze przewiduje między innymi zachowanie się niezwykle energetycznych strumieni energii wystrzeliwanych przez czarne dziury, zwanych dżetami.

Te badania pozwalają nam poznać tajemnice czarnych dziur oraz potwierdzają fakt, iż wirując czarne dziury emitują energię” – powiedział dr David Meier, astrofizyk z Laboratorium Napędów Odrzutowych (Jet Propulsion Laboratory) w Pasadenie w Kalifornii. Dr Meier jest współautorem publikacji, która pojawi się w czasopiśmie “Science”. Kierownictwo całego przedsięwzięcia objął dr Shinji Koide z Uniwersytetu Toyama w Japonii.

Czarne dziury to obiekty o tak dużej grawitacji, że nie ucieknie z nich nawet światło. Pochłaniają gwiazdy, pył kosmiczny i nawet inne czarne dziury. Powstają na dwa różne sposoby: po zapadnięciu się umierającej gwiazdy oraz gdy wiele gwiazd i czarnych dziur zderza się w centrum jakiejś galaktyki (np. Drogi Mlecznej). Oba typy czarnej dziury mogą obracać się z bardzo dużą szybkością, zakrzywiając, czyli jakby “pociągając” za sobą przestrzeń.

Gdy do czarnej dziury wpadnie więcej materiału, zanim zostanie on połknięty, wiruje dookoła jej środka. Naukowcy mieli okazję przyjrzeć się temu zdarzeniu (zaobserwowali także obecność dżetów) dzięki obserwacjom radiowym, oraz w promieniach rentgenowskich. Nie mogli jednak zaobserwować samej czarnej dziury.

Nie możemy wlecieć do czarnej dziury, ani nie możemy stworzyć jej w laboratorium, więc użyliśmy superkomputerów” – powiedział Meier. Ta symulacja przypomina prognozowanie pogody, polegające na tworzeniu animowanego obrazu chmur na podstawie zdjęć satelitarnych, znajomości zachowania atmosfery i wpływu grawitacji. Analogicznie – jeśli wiemy, jak pola magnetyczne i grawitacja czarnej dziury oddziałują na wirującą wokół niej plazmę, to możemy spróbować przewidzieć jej dalszy ruch.

Stworzyliśmy model rotującej czarnej dziury z wpadającą do niej namagnesowaną plazmą” – powiedział Koide. – “Zasymulowaliśmy proces wykorzystywania przez pole magnetyczne energii pochodzącej z rotacji czarnej dziury.

W tym wypadku strumienie czystej energii elektromagnetycznej są wyrzucane przez pole magnetyczne nad biegunami czarnej dziury” – dodał Meier. – “Dżety zawierają energię odpowiadającą energii naszego Słońca pomnożonej miliard razy i potem jeszcze raz pomnożone miliard razy“.

Ilustracja przedstawia zachowanie się czarnej dziury. Na rysunku A widzimy, jak wolno opada na nią plazma posiadająca pole magnetyczne, oznaczone na biało. Stopniowo opadając, zwiększa swą prędkość (rys. B, C i D). Rotująca czarna dziura zakrzywia przestrzeń (i linie pola magnetycznego) i prowadzi do emisji energii elektromagnetycznej wzdłuż obu swoich biegunów. Czerwony i biały kolor obrazuje natężenie tej emisji, która pochwyci ostatecznie materię i uformuje dżety.

Fenomen dżetów przewidział w latach siedemdziesiątych XX wieku prof. Roger Blandford z Politechniki Kalifornijskiej (California Institute of Technology) i jego kolega Roman Znajek. Przypuszczenia potwierdziła symulacja komputerowa, która została przeprowadzona na superkomputerach Japan’s National Institute for Fusion Science.

Naukowcy przewidzieli teoretycznie istnienie czarnych dziur już w pierwszych latach XVIII wieku, zaś w pierwszych latach XX wieku zaobserwowali emisję dżetów przez obiekty ulokowane w centrach galaktyk. Po roku 1960 pojawiła się teoria, iż za emisję dżetów odpowiedzialne są supermasywne czarne dziury, od miliona do kilku miliardów razy cięższe od naszego Słońca. Po roku 1990 odkryto, iż dżety są także emitowane przez czarne dziury w układach podwójnych.

Autor

Jan Lemiech