Чёрные дыры уже давно являются одной из самых интригующих загадок современной астрофизики. Известные своей гравитацией, настолько сильной, что даже свет не может вырваться наружу, они могут наблюдаться только косвенно, через их влияние на окружающую среду.
В частности, испускание рентгеновского излучения окружающими их аккреционными дисками остается загадкой для ученых с 1970-х годов. Теперь исследование, проведенное в Университете Хельсинки, позволило совершить большой прорыв в понимании этого явления.
Используя чрезвычайно подробные компьютерные симуляции, исследователи смоделировали сложные взаимодействия между излучением, плазмой и магнитными полями в окрестностях чёрных дыр, принимая во внимание квантовые электродинамические эффекты. Результаты показали, что турбулентные движения, вызванные магнитными полями, нагревают окружающую плазму, заставляя ее излучать рентгеновские лучи.
Турбулентность и рентгеновское излучение в аккреционных дисках чёрных дыр
До сих пор считалось, что рентгеновское излучение каким-то образом исходит от плазмы, падающей в сторону черной дыры, где поток аккреционного вещества разделен на две составляющие — тонкий диск и вышележащую корону. Недавние наблюдения и численное моделирование действительно подтвердили эту идею о структуре.
Поэтому исследователи решили детально проанализировать плазменную корону. Для этого они использовали радиационное моделирование плазмы. При этом они впервые включили все соответствующие квантовые электродинамические процессы. То есть фундаментальные взаимодействия, которые определяют поведение заряженных частиц и фотонов в таких экстремальных условиях.
Моделирование показало, что когда плазма турбулентна, т.е. когда частицы внутри короны движутся хаотично из-за интенсивных магнитных взаимодействий, излучение рентгеновских лучей в «жестком» состоянии происходит спонтанно. Это состояние характеризуется высокоэнергетическими рентгеновскими лучами и обычно наблюдается в двойных системах чёрных дыр.
Более того, когда плазменная корона облучается «мягким», то есть низкоэнергетическим рентгеновским излучением из аккреционного диска, плазма переходит в новое равновесное состояние. В этом новом состоянии плазма излучает рентгеновские лучи в «мягком» состоянии. Это состояние характеризуется излучением с более низкой энергией, чем «жесткое» состояние.
Этот переход показывает, что на поведение плазменной короны влияет не только внутренняя турбулентность. На нее также влияет взаимодействие с излучением от аккреционного диска.
a) 3D-визуализация турбулентной плазмы в короне замагниченного аккреционного диска. Линии магнитного поля показаны тонкими трубками, а цвета от белого до красного указывают на напряженность поля. d) Схематическая иллюстрация структур магнитного поля аккреционного потока, показанная красной горизонтальной линией, а моделируемая корональная область выделена зеленым квадратом.
Почему этот результат важен?
Эти результаты не только подтверждают наличие двух различных состояний в поведении плазмы вблизи чёрных дыр, но и подчеркивают важность квантовых процессов в динамике плазмы в экстремальных условиях.
Открытие того, что турбулентность в плазме может вызывать рентгеновское излучение, открывает новые перспективы для изучения чёрных дыр. А также их взаимодействия с окружающей средой.
Кроме того, исследование закладывает основы для будущих исследований других экстремальных астрофизических явлений, предлагая новые ключи к пониманию поведения частиц в условиях чрезвычайно высоких энергий.
Со статьей, опубликованной в журнале Nature Communications, можно ознакомиться здесь.
