Kosmiczna symulacja pokazuje, jak rosną i ewoluują czarne dziury. Ważną rolę odgrywa pole magnetyczne

W tym artykule:

1. Symulacja z użyciem superkomputera
2. Od atomów do galaktyk
3. Nowa symulacja, nowa teoria

Najjaśniejsze obiekty we Wszechświecie to kwazary. Mogą świecić równie jasno jak cała galaktyka. W rzeczywistości jednak są to jądra galaktyk, składające się z supermasywnej czarnej dziury otoczonej wirującym dyskiem akrecyjnym. Tworzą go pyły i gazy rozgrzane do gigantycznych temperatur, które emitują ogromne ilości promieniowania.

Jak formują się kwazary? Poszukiwaniem odpowiedzi zajęli się naukowcy z Caltechu. Dwie współpracujące grupy badaczy opracowały nową symulację ukazującą ewolucję czarnej dziury. Jest 1000 razy dokładniejsza od poprzednich tego rodzaju modeli. Symulacja miała odtworzyć przemianę chmur materii we wczesnym Wszechświecie w potężne dyski akrecyjne kwazarów. A przy okazji pozwolić zbadać ewolucję całego obszaru wokół czarnej dziury.

Naukowcy potwierdzili, że w formowaniu się dysku ogromną rolę odgrywa pole magnetyczne wokół czarnej dziury. Okazało się jednak, że jest ono znacznie silniejsze, niż wcześniej przypuszczano. W rezultacie dysk wcale nie jest płaski, jak wyobrażano sobie w poprzednim wieku. Tylko „puchaty” – jak dobrze wyrośnięte ciasto.

Symulacja z użyciem superkomputera

Na pozór dyski wokół czarnych dziur nie są już dla astronomów niczym tajemniczym. Mamy nawet ich zdjęcia. Na historycznym obrazie supermasywnej czarnej dziury Messier 87 z 2019 r. widać tak naprawdę właśnie dysk akrecyjny. Wirująca rozgrzana materia została również ujęta na zdjęciu Sagittariusa A* – supermasywnej czarnej dziury znajdującej się w środku Drogi Mlecznej.

Jednak supermasywne czarne dziury stanowiące „silniki napędowe” kwazarów są znacznie aktywniejsze. Materia wokół nich wiruje z ogromną prędkością i nagrzewa się do gigantycznych temperatur. By to zwizualizować, naukowcy opracowali skomplikowaną symulację z użyciem superkomputera. By komputer odtworzył zmiany zachodzące w kosmosie, trzeba było nakarmić go szeregiem równań opisujących działanie grawitacji oraz uwzględniających istnienie ciemnej materii i procesy gwiazdotwórcze. Wyzwaniem było również połączenie różnych skal i pokazanie zmian w czasie.

Czarna dziura na pierwszym takim zdjęciu. „Wygląda jak smok zionący ogniem”

Po raz pierwszy w historii naukowcy zrobili zdjęcie pokazujące zarówno czarną dziurę, jak i emitowany przez nią dżet. Czarna dziura znajduje się w środku galaktyki Messier 87 odległej od ...

Od atomów do galaktyk

Ostatecznie powstał kod, który symuluje formowanie się czarnej dziury o masie 10 mln razy większej od masy Słońca. Proces zaczyna się we wczesnym Wszechświecie i pokazuje zmiany, jakie przechodzi chmura materii, która z czasem zbliża się do czarnej dziury.

– W naszej symulacji widzimy, jak dysk akrecyjny tworzy się wokół czarnej dziury – mówi astrofizyk Phil Hopkins. – Zaskakujące było to, że symulowany dysk wcale nie wygląda tak jak powinien wyglądać zgodnie z tym, co myśleliśmy od dziesięcioleci – dodaje naukowiec.

Nowa symulacja, nowa teoria

W latach 70. XX w. powstała teoria wyjaśniająca, dlaczego materia w ekstremalnym polu grawitacyjnym czarnej dziury natychmiast się nie zapada. Miały temu zapobiegać zmiany ciśnienia spowodowane przez zmiany temperatury gazów w dysku. Nowa symulacja pokazała jednak co innego. Ciśnienie pól magnetycznych takich dysków było 10 000 razy większe i to ono kontrolowało zachowanie dysku.

Efekt? Już rozumiemy, dlaczego dyski wyglądają tak jak wynika z obserwacji. – Nasze teorie zakładały, że dyski powinny być płaskie jak naleśniki – mówi Hopkins. – Ale wiedzieliśmy, że to nieprawda, ponieważ obserwacje astronomiczne pokazują, że dyski są w rzeczywistości puszyste i bardziej przypominają wyrośnięty biszkopt. Nasza symulacja pomogła nam zrozumieć, że pola magnetyczne „podpierają” materiał dysku i czynią go bardziej puszystym – dodaje naukowiec.

Dzięki analizie – opisanej w artykule opublikowanym w czasopiśmie „The Open Journal of Astrophysics” – naukowcy będą mogli teraz dokładniej opisywać dyski akrecyjne: ich masę, gęstość i geometrię. Otwiera się też droga do tworzenia jeszcze bardziej złożonych symulacji: np. pokazujących łączenie się dwóch galaktyk.

Źródła: Phys.org, The Open Journal of Astrophysics

Nasz ekspert

Magdalena Salik

Dziennikarka naukowa i pisarka, przez wiele lat sekretarz redakcji i zastępczyni redaktora naczelnego magazynu „Focus". Wcześniej redaktorka działu naukowego „Dziennika. Polska, Europa, Świat”. Pasjami czyta i pisze, miłośniczka literatury popularnonaukowej i komputerowych gier RPG. Więcej: magdalenasalik.wordpress.com