Моделирование на суперкомпьютере дает объяснение рентгеновскому излучению черных дыр

Визуализация показывает, как турбулентная плазма движется в замагниченной короне аккреционного диска. Автор: Jani Närhi

Исследователи из Хельсинкского университета добились успеха в том, к чему стремились с 1970-х годов: объяснили рентгеновское излучение из окрестностей черной дыры. Излучение возникает из-за комбинированного эффекта хаотических движений магнитных полей и турбулентного плазменного газа.

Используя детальное суперкомпьютерное моделирование, исследователи из Хельсинкского университета смоделировали взаимодействие между излучением, плазмой и магнитными полями вокруг черных дыр. Было обнаружено, что хаотические движения или турбулентность, вызванные магнитными полями, нагревают локальную плазму и заставляют ее излучать.

Исследование было опубликовано в Nature Communications. Моделирование, использованное в исследовании, является первой моделью физики плазмы, включающей все важные квантовые взаимодействия между излучением и плазмой.

Сосредоточьтесь на рентгеновском излучении аккреционных дисков.

Черная дыра образуется, когда большая звезда коллапсирует в такую плотную концентрацию массы, что ее гравитация не позволяет даже свету покинуть ее сферу влияния. Вот почему вместо прямого наблюдения черные дыры можно наблюдать только через их косвенное воздействие на окружающую среду.

Большинство наблюдаемых черных дыр имеют звезду-компаньона, с которой они образуют двойную звездную систему. В двойной системе два объекта вращаются вокруг друг друга, а вещество звезды-компаньона медленно по спирали попадает в черную дыру. Этот медленно текущий поток газа часто образует аккреционный диск вокруг черной дыры, яркий, наблюдаемый источник рентгеновского излучения.

С 1970-х годов предпринимались попытки смоделировать излучение от аккреционных потоков вокруг черных дыр. В то время уже считалось, что рентгеновские лучи генерируются посредством взаимодействия локального газа и магнитных полей, подобно тому, как окрестности Солнца нагреваются его магнитной активностью посредством солнечных вспышек.

«Вспышки в аккреционных дисках черных дыр похожи на экстремальные версии солнечных вспышек», — говорит доцент Йоонас Няттиля, возглавляющий исследовательскую группу вычислительной плазменной астрофизики в Хельсинкском университете, которая специализируется на моделировании именно такого рода экстремальной плазмы.

Взаимодействие излучения с плазмой

Моделирование показало, что турбулентность вокруг черных дыр настолько сильна, что даже квантовые эффекты становятся важными для динамики плазмы.

В моделируемой смеси электронно-позитронной плазмы и фотонов локальное рентгеновское излучение может превращаться в электроны и позитроны, которые затем могут аннигилировать обратно в излучение при соприкосновении.

Няттиля описывает, как электроны и позитроны, античастицы друг для друга, обычно не встречаются в одном и том же месте. Однако чрезвычайно энергичное окружение черных дыр делает даже это возможным. В общем, излучение также не взаимодействует с плазмой. Однако фотоны настолько энергичны вокруг черных дыр, что их взаимодействия важны и для плазмы.

«В повседневной жизни такие квантовые явления, когда вместо чрезвычайно яркого света внезапно появляется материя, конечно, не наблюдаются, но вблизи черных дыр они становятся критически важными», — говорит Няттиля.

«Нам потребовались годы, чтобы исследовать и добавить в симуляции все квантовые явления, происходящие в природе, но в конечном итоге это того стоило», — добавляет он.

Точная картина происхождения радиации

Исследование показало, что турбулентная плазма естественным образом производит тот тип рентгеновского излучения, который наблюдается в аккреционных дисках. Моделирование также позволило впервые увидеть, что плазма вокруг черных дыр может находиться в двух различных равновесных состояниях в зависимости от внешнего поля излучения. В одном состоянии плазма прозрачна и холодна, а в другом — непрозрачна и горяча.

«Рентгеновские наблюдения аккреционных дисков черных дыр показывают точно такие же различия между так называемыми мягкими и жесткими состояниями», — отмечает Няттиля.

Больше информации: Joonas Nättilä, Radiative plasma simulations of black hole accretion flow coronae in the hard and soft states, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-51257-1

Источник: University of Helsinki