Nowe badania NASA na temat czarnych dziur i więcej o roli promieniowania X.

Artykuł przygotował Aleksander Wójcik

Nowe badania astronomów NASA, Uniwersytetu Johna Hopkinsa oraz Instytutu Technologicznego w Rochester potwierdzają długotrwałe podejrzenia odnośnie tego, w jaki sposób gwiezdne czarne dziury produkują swoje wysokoenergetyczne światło.

„Nasza praca śledzi kompleksowe ruchy, współoddziaływania cząstek oraz turbulencyjne pola magnetyczne w gazie o temperaturze miliarda stopni na granicy czarnej dziury, jednym z najbardziej ekstremalnych środowisk fizycznych we Wszechświecie” – mówi główny badacz Jeremy Schnittman, astrofizyk w Centrum Lotów Kosmicznych Goddarda w Greenbelt, USA.

Analizując symulację superkomputera przedstawiającą gaz przemieszczający się do wnętrza czarnej dziury zespół odkrył, że może zostać odtworzony zakres istotnych cech promieniowania X (rentgenowskiego), od dawna obserwowanego w aktywnych czarnych dziurach.

Gaz opadający w kierunku czarnej dziury początkowo krąży wokół niej, a następnie przybiera kształt spłaszczonego dysku. Gaz zgromadzony w dysku stopniowo przemieszcza się ruchem spiralnym do wewnątrz czarnej dziury i zostaje mocno skompresowany oraz podgrzany w trakcie zbliżania się do jej centrum. Ostatecznie osiągając temperaturę sięgającą 20 milionów stopni w skali Fahrenheita (12 milionów stopni Celsjusza) – około 2000 razy wyższą niż temperatura powierzchni Słońca – gaz świeci jasno w niskoenergetycznym, lub inaczej miękkim, promieniowaniu X.

Jednakże przez ponad 40 lat badania wykazywały iż czarne dziury produkują także znaczne ilości promieniowania „twardego” – światła o energii 10 do 100 razy większej od „miękkiego” promieniowania X. To światło o wyższej energii sugeruje obecność odpowiednio gorętszego gazu, o temperaturze sięgającej miliardów stopni. Nowe badania wypełniają lukę pomiędzy teorią a obserwacją, wykazując iż zarówno „miękkie” jak i „twarde” promieniowanie rentgenowskie nierozłącznie powstaje z gazu zmierzającego w kierunku czarnej dziury.

Schnittman, współpracując z Julianem Krolikiem, profesorem Uniwersytetu Johna Hopkinsa w Baltimore oraz Scottem Noble'em, badaczem z Instytutu Technologicznego Rochester w Rochester w Nowym Jorku, opracował proces umożliwiający modelowanie wewnętrznego obszaru dysku akrecyjnego czarnej dziury, śledzący emisję i przemieszczanie się promieniowania X i porównujący rezultaty do obserwacji prawdziwych czarnych dziur.

Natomiast sam Noble opracował symulację komputerową, rozwiązującą wszelkie równania zarządzające kompleksowym ruchem wpływającego gazu i towarzyszącym mu polom magnetycznym w pobliży akreującej czarnej dziury. Rosnąca temperatura, gęstość i prędkość opadającego gazu skokowo zwiększają pola magnetyczne przebiegające przez dysk, które następnie wywierają dodatkowy nacisk na gaz. Rezultatem jest wzburzona „piana” okrążająca czarną dziurę z prędkością sięgającą prędkości światła. Obliczenia jednocześnie śledziły płynne, elektryczne i magnetyczne właściwości gazu, biorąc jednocześnie pod uwagę teorię względności Einsteina. Symulacja Noble'a, przeprowadzona na superkomputerze Ranger w Centrum Zaawansowanych Obliczeń Komputerowych w Teksasie, zlokalizowanym na Uniwersytecie Teksańskim w Austin, wykorzystała 960 z blisko 63 000 jednostek centralnych superkomputera, a jej ukończenie zajęło 27 dni.

Wraz z upływem lat udoskonalone obserwacje promieni X wykazały coraz więcej dowodów na to, iż twarde promienie X pochodzą z gorącej korony ponad dyskiem, struktury podobnej do gorącej korony otaczającej Słońce.

„Astronomowie podejrzewali również, że dysk utrzymuje silne pola magnetyczne, i przypuszczali, że pola te mogą wypływać z niego tworząc koronę” – tłumaczy Noble – „Jednak nikt nie wiedział, czy tak dzieje się na pewno, a jeśli tak, to czy wytworzone promieniowanie X pasuje do tego, co obserwujemy”.

Schnittman i Krolik, używając danych wygenerowanych przez symulację Noble’a, opracowali narzędzia służące śledzeniu tego jak promieniowanie rentgenowskie było emitowane, absorbowane i rozpraszane poprzez dysk akrecyjny oraz region korony. Po połączeniu danych, zademonstrowali po raz pierwszy bezpośredni związek pomiędzy magnetycznymi turbulencjami w dysku, tworzeniem się korony o temperaturze miliarda stopni oraz produkcją twardych promieni X wokół czarnej dziury aktywnie pochłaniającej materię. Artykuł opisujący te odkrycia został opublikowany w czerwcowym wydaniu czasopisma „Astrophysical Journal”.

Wewnątrz korony elektrony i inne cząstki przemieszczają się z prędkościami będącymi znacznym ułamkiem prędkości światła. Kiedy niskoenergetyczny promień X pochodzący z dysku podróżuje przez ten obszar – może zderzyć się z jedną z owych szybko poruszających się cząsteczek. Zderzenie znacznie zwiększa energię promienia X poprzez proces zwany rozpraszaniem komptonowskim, lub inaczej zjawiskiem Comptona.

„Czarne dziury są naprawdę niezwykłe, z ich ogromnymi temperaturami, niezwykle szybkimi ruchami i grawitacją ukazującą całą dziwaczność ogólnej teorii względności” – twierdzi Krolik. „Jednak nasze obliczenia wskazują, że możemy zrozumieć wiele na ich temat posługując się jedynie standardowymi założeniami fizycznymi.”

Badania te opierały się na nieobracającej się czarnej dziurze. Naukowcy poszerzają wyniki o obracające się czarne dziury, gdzie ruch obrotowy wciąga wewnętrzną część dysku bardziej do wewnątrz i warunki stają się jeszcze bardziej ekstremalne. Planują oni również szczegółowe porównanie ich rezultatów do całego bogactwa obserwacji promieniowania X dokonanych przez NASA i inne instytucje.

Czarne dziury są najgęstszymi obiektami znanymi nauce. Gwiezdne czarne dziury tworzą się wtedy, gdy masywne gwiazdy wyczerpują swoje paliwo i zapadają się, zamieniając się w zwarte obiekty o średnicy mniejszej niż 120 km, zawierające w sobie masę o równowartości sięgającej 20 mas Słońca.