Pułapka dla światła
Czarne dziury słyną z tego, jak silne jest ich przyciąganie grawitacyjne – na tyle silne, że nawet samo światło nie może mu uciec. Dlatego też koncepcja rozbłysków światła pochodzących z czarnych dziur wydaje się dziwna. Niemniej, takie rozbłyski zdarzają się dość często, ale nie pochodzą one z samych czarnych dziur, a ich dysków akrecyjnych. Dysk akrecyjny to jasny, gorący pierścień materii krążącej wokół czarnej dziury i na nią opadającej.
W większości przypadków rozbłyski światła są powodowane wpadaniem pyłu i gazu do czarnej dziury. Proces ten powoduje nagrzewanie się ów materii, a w rezultacie daje jasną poświatę. Zdarza się też jednak, że astronomowie obserwują rozbłyski oddalające się od czarnych dziur w formie dżetów, a one są trudniejsze do wyjaśnienia. Od dawna podejrzewano, że mają one coś wspólnego z intensywnymi polami magnetycznymi otaczającymi czarne dziury.
Symulacje, jakich jeszcze nie widziano
W ramach najnowszych badań astronomowie przeprowadzili jak dotąd najbardziej szczegółowe symulacje czarnych dziur. Aby je wygenerować, wykorzystano trzy różne superkomputery – Longhorn, Popeye i Summit, które łącznie poświęciły na przedsięwzięcie miliony godzin obliczeniowych. Nota bene, Summit to drugi najwydajniejszy superkomputer na świecie.
Dzięki superkomputerom uzyskano symulację czarnej dziury o rozdzielczości ponad 1000 razy wyższej niż przy poprzednich próbach. W związku z tym teraz mamy pełniejszy obraz tego, co dzieje się, gdy czarna dziura emituje rozbłysk.
Rozwiązanie zagadki
Symulacja pokazała, że gdy materia wpływa do czarnej dziury, ciągnie za sobą linie pola magnetycznego. Linie te zaczynają układać się w pobliżu horyzontu zdarzeń aż w końcu blokują dalsze wpadanie materii do czarnej dziury. Nacisk materii na linie, która mimo wszystko wciąż stara się przekroczyć horyzont zdarzeń, sprawia, że te się spłaszczają i zbliżają do siebie, aż w końcu zaczynają tworzyć pasy skierowane albo w stronę czarnej dziury albo przeciwną.
Kiedy linie pola magnetycznego biegnące w przeciwnych kierunkach spotykają się, mogą przerwać swoje dotychczasowe więzi i zamiast tego utworzyć nowe połączenia. Wówczas dochodzi do przeniesienia energii do otaczającej je gorącej plazmy, co powoduje wrzucenie niektórych cząstek do czarnej dziury i wyrzucenie niektórych w przestrzeń kosmiczną. Te drugie obserwujemy jako rozbłyski.
Diagram przedstawiający linie pola magnetycznego wokół czarnej dziury. Na przybliżeniach zaznaczono linie, które wkrótce się połączą i spowodują powstanie rozbłysku. | Źródło: B. Ripperda et al, Astrophysical Journal Letters 2022
„Bez wysokiej rozdzielczości naszych symulacji nie można by uchwycić takiej subdynamiki i takich podstruktur.”, powiedział Bart Ripperda, współautor pracy poświęconej badaniom. „W modelach o niskiej rozdzielczości ponowne połączenie się [linii pola magnetycznego] nie występuje, więc nie pokazują one mechanizmu, który powoduje akcelerację cząstek.”
Materiał wyrzucony przez linie pola magnetycznego może nie być w stanie uciekać od czarnej dziury długo. Uczeni twierdzą, że gorąca plazma może ponownie znaleźć się na orbicie wokół niej, czego przykłady można dostrzec w przypadku supermasywnej czarnej dziury znajdującej się w centrum Drogi Mlecznej.
Symulacja wykazała również, że rozbłyski mogą mieć charakter cykliczny. Energia pola magnetycznego czarnej dziury po pewnym czasie słabnie, ale ostatecznie się resetuje i ponownie zapoczątkowuje omówiony proces. Ten proces może powtarzać się w różnych odstępach czasu w przypadku różnych czarnych dziur, od dni do lat, co również jest zgodne z obserwacjami.
Zdaniem naukowców obserwacje przeprowadzone przez niedawno wystrzelony Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba mogą potwierdzić, czy to, co dzieje się w symulacji, faktycznie dzieje się we Wszechświecie. Oczekuje się, że pierwsze zdjęcia z tego teleskopu ujrzymy w czerwcu lub lipcu tego roku.
Źródło: Simons Foundation / fot. tyt. NASA/JPL-Caltech