Η ραγδαία γιορτή των μαύρων τρυπών συγκλονίζει τους επιστήμονες

Νέα έρευνα αποκαλύπτει ότι οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες καταναλώνουν το υλικό γύρω τους πιο γρήγορα από ό,τι πιστεύαμε. Αυτή η εικόνα, που προέρχεται από προσομοιώσεις υψηλής ανάλυσης, θα μπορούσε να εξηγήσει γιατί τα κβάζαρ καίγονται και εξαφανίζονται τόσο γρήγορα.

νέος Πανεπιστήμιο NorthwesternΗ μελέτη που ηγείται αλλάζει τον τρόπο με τον οποίο οι αστροφυσικοί κατανοούν τις διατροφικές συνήθειες των υπερμεγέθων μαύρων τρυπών.

Ενώ οι προηγούμενοι ερευνητές υπέθεσαν ότι οι μαύρες τρύπες τρώνε αργά, νέες προσομοιώσεις υποδηλώνουν ότι οι μαύρες τρύπες καλύπτουν την τροφή πολύ πιο γρήγορα από ό,τι υποδηλώνει η συμβατική κατανόηση.

Η μελέτη δημοσιεύτηκε στις 20 Σεπτεμβρίου ο Astrophysical Journal.

Πληροφορίες προσομοίωσης

Σύμφωνα με νέες τρισδιάστατες προσομοιώσεις υψηλής ανάλυσης, οι περιστρεφόμενες μαύρες τρύπες παραμορφώνουν τον χωρόχρονο που τις περιβάλλει, διαλύοντας τελικά τη βίαιη δίνη αερίου (ή τον δίσκο προσαύξησης) που τις περιβάλλει και τις τροφοδοτεί. Αυτό σκίζει το δίσκο σε εσωτερικούς και εξωτερικούς υποδισκούς. Οι μαύρες τρύπες καταβροχθίζουν πρώτα τον εσωτερικό δακτύλιο. Τα υπολείμματα από τον εξωτερικό υποδίσκο χύνονται στη συνέχεια προς τα μέσα για να καλύψει το κενό που αφήνει ο πλήρως καταναλωμένος εσωτερικός δακτύλιος και η διαδικασία φαγητού επαναλαμβάνεται.

Ένας κύκλος αυτής της διαδικασίας αδιάκοπης κατανάλωσης-αναπλήρωσης-φαγητού διαρκεί μόνο μήνες – ένα συγκλονιστικά γρήγορο χρονοδιάγραμμα σε σύγκριση με τα εκατοντάδες χρόνια που είχαν προταθεί προηγουμένως από ερευνητές.

Αυτή η νέα ανακάλυψη θα μπορούσε να βοηθήσει στην εξήγηση της δραματικής συμπεριφοράς ορισμένων από τα φωτεινότερα αντικείμενα στον νυχτερινό ουρανό, συμπεριλαμβανομένων των κβάζαρ, τα οποία ξαφνικά φουντώνουν και στη συνέχεια εξαφανίζονται χωρίς εξήγηση.

Αυτή η προσομοίωση δείχνει πώς ο δίσκος προσαύξησης μιας υπερμεγέθους μαύρης τρύπας θα μπορούσε να χωριστεί σε δύο υποδίσκους, οι οποίοι δεν είναι ευθυγραμμισμένοι σε αυτήν την εικόνα. Πίστωση: Nick Kaz/Northwestern University

«Η κλασική θεωρία του δίσκου προσαύξησης προβλέπει ότι ο δίσκος εξελίσσεται αργά», δήλωσε ο Nick Kaz του Πανεπιστημίου Northwestern, ο οποίος ηγήθηκε της μελέτης. “Αλλά ορισμένα κβάζαρ – που προκύπτουν από τις μαύρες τρύπες που τρώνε αέριο από τους δίσκους προσαύξησής τους – φαίνεται να αλλάζουν ριζικά με την πάροδο του χρόνου από μήνες έως χρόνια. Αυτή η διαφορά είναι αρκετά δραματική. Το εσωτερικό του δίσκου, από όπου προέρχεται το μεγαλύτερο μέρος του φωτός, φαίνεται να Μετά αναγεννάται. Η κλασική θεωρία του δίσκου προσαύξησης δεν μπορεί να εξηγήσει αυτή τη δραστική διαφορά. Αλλά τα φαινόμενα που βλέπουμε στις προσομοιώσεις μας μπορούν.

Ο Kaz είναι μεταπτυχιακός φοιτητής στην αστρονομία στο Weinberg College of Arts and Sciences του Northwestern University και μέλος του Κέντρου Διεπιστημονικής Εξερεύνησης και Έρευνας στην Αστροφυσική (CIERA). Ο Kaz συμβούλεψε τον συν-συγγραφέα της εργασίας Alexander Chekhovskoy, αναπληρωτή καθηγητή φυσικής και αστρονομίας Weinberg και μέλος της CIERA.

Εσφαλμένες υποθέσεις

Οι δίσκοι προσαύξησης που περιβάλλουν τις μαύρες τρύπες είναι φυσικά πολύπλοκα αντικείμενα, γεγονός που καθιστά πολύ δύσκολη τη μοντελοποίησή τους. Η παραδοσιακή θεωρία δυσκολεύεται να εξηγήσει γιατί αυτοί οι δίσκοι λάμπουν έντονα και μετά ξαφνικά θαμπώνουν, μερικές φορές σε σημείο να εξαφανίζονται εντελώς.

Προηγούμενοι ερευνητές υπέθεσαν λανθασμένα ότι οι δίσκοι προσαύξησης είναι σχετικά οργανωμένοι. Σε αυτά τα μοντέλα, αέρια και σωματίδια περιστρέφονται γύρω Μαύρη τρύπα – Στο ίδιο επίπεδο με τη μαύρη τρύπα και στην ίδια φορά περιστροφής της μαύρης τρύπας. Στη συνέχεια, σε μια περίοδο εκατοντάδων έως εκατοντάδων χιλιάδων ετών, μόρια αερίου σταδιακά κινούνται σπειροειδώς στη μαύρη τρύπα για να την τροφοδοτήσουν.

“Πώς το αέριο φτάνει στη μαύρη τρύπα για να την τροφοδοτήσει είναι το κεντρικό ερώτημα στη φυσική του δίσκου προσαύξησης. Εάν γνωρίζετε πώς συμβαίνει αυτό, θα σας πει πόσο καιρό διαρκεί ο δίσκος, πόσο φωτεινός είναι και πώς πρέπει να μοιάζει το φως όταν το παρατηρούμε με τηλεσκόπια».
-Νικ Καζ, κύριος συγγραφέας

«Για δεκαετίες, οι άνθρωποι έκαναν μια αρκετά μεγάλη υπόθεση ότι οι δίσκοι προσαύξησης αντιστοιχούν στην περιστροφή της μαύρης τρύπας», είπε ο Kaz. “Αλλά το αέριο που τροφοδοτεί αυτές τις μαύρες τρύπες δεν γνωρίζει απαραίτητα ποια κατεύθυνση περιστρέφεται η μαύρη τρύπα, οπότε γιατί να ευθυγραμμιστεί αυτόματα; Η ​​αλλαγή της ευθυγράμμισης αλλάζει ριζικά την εικόνα.”

Η προσομοίωση των ερευνητών, η οποία είναι μία από τις προσομοιώσεις με την υψηλότερη ανάλυση δίσκων προσαύξησης μέχρι σήμερα, υποδηλώνει ότι οι περιοχές γύρω από μια μαύρη τρύπα είναι πολύ πιο χαοτικά και ταραχώδη μέρη από ό,τι πιστεύαμε προηγουμένως.

Περισσότερο σαν γυροσκόπιο, λιγότερο σαν πίνακας ζωγραφικής

Χρησιμοποιώντας το Summit, έναν από τους μεγαλύτερους υπερυπολογιστές στον κόσμο που βρίσκεται στο Εθνικό Εργαστήριο Oak Ridge, οι ερευνητές πραγματοποίησαν μια τρισδιάστατη γενική μαγνητοϋδροδυναμική (GRMHD) προσομοίωση ενός λεπτού, κεκλιμένου δίσκου προσαύξησης. Ενώ οι προηγούμενες προσομοιώσεις δεν ήταν αρκετά ισχυρές ώστε να συμπεριλάβουν όλη τη φυσική που απαιτείται για την κατασκευή μιας ρεαλιστικής μαύρης τρύπας, το μοντέλο του Northwestern ενσωματώνει τη δυναμική αερίων, τα μαγνητικά πεδία και τη γενική σχετικότητα για να συνδυάσει μια πιο ολοκληρωμένη εικόνα.

«Οι μαύρες τρύπες είναι ακραία γενικά σχετικιστικά αντικείμενα που επηρεάζουν τον χωρόχρονο που τις περιβάλλει», είπε ο Kaz. «Έτσι, όταν περιστρέφεται, τραβάει τον χώρο γύρω του σαν ένα γιγάντιο καρουσέλ και το αναγκάζει να περιστρέφεται επίσης — ένα φαινόμενο που ονομάζεται «σύρσιμο πλαισίου». Αυτό δημιουργεί ένα πραγματικά ισχυρό αποτέλεσμα κοντά στη μαύρη τρύπα, η οποία γίνεται όλο και πιο αδύναμη πιο μακρυά.”

Το τράβηγμα του πλαισίου κάνει ολόκληρο τον δίσκο να κουνιέται κυκλικά, παρόμοια με το πώς κινείται ένα γυροσκόπιο. Αλλά ο εσωτερικός δίσκος θέλει να ταλαντεύεται πολύ πιο γρήγορα από τα εξωτερικά μέρη. Αυτή η αναντιστοιχία δυνάμεων προκαλεί παραμόρφωση ολόκληρου του δίσκου, προκαλώντας τη σύγκρουση αερίων από διαφορετικά μέρη του δίσκου. Οι συγκρούσεις δημιουργούν φωτεινούς κραδασμούς που σπρώχνουν βίαια το υλικό όλο και πιο κοντά στη μαύρη τρύπα.

Καθώς η συστροφή γίνεται πιο έντονη, η βαθύτερη περιοχή του δίσκου προσαύξησης συνεχίζει να ταλαντώνεται όλο και πιο γρήγορα έως ότου διαχωριστεί από τον υπόλοιπο δίσκο. Στη συνέχεια, σύμφωνα με τις νέες προσομοιώσεις, οι υποδίσκοι αρχίζουν να εξελίσσονται ανεξάρτητα ο ένας από τον άλλο. Αντί να κινούνται ομαλά μαζί σαν μια επίπεδη πλάκα που περιβάλλει μια μαύρη τρύπα, οι υποδίσκοι ταλαντεύονται ανεξάρτητα με διαφορετικές ταχύτητες και γωνίες σαν τροχοί σε γυροσκόπιο.

«Όταν ο εσωτερικός δίσκος σπάσει, θα κινηθεί μόνος του», είπε ο Kaz. “Κινείται πιο γρήγορα επειδή είναι πιο κοντά στη μαύρη τρύπα και επειδή είναι μικρότερο, επομένως είναι πιο εύκολο να κινηθεί.”

“Εκεί που κερδίζει η μαύρη τρύπα”

Σύμφωνα με τη νέα προσομοίωση, η ζώνη ρήξης – όπου ο εσωτερικός και ο εξωτερικός υποδίσκος χωρίζονται – είναι όπου αρχίζει πραγματικά η φρενίτιδα τροφοδοσίας. Ενώ η τριβή προσπαθεί να κρατήσει το δίσκο ενωμένο, η παραμόρφωση του χωροχρόνου από την περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα θέλει να τον σχίσει.

«Υπάρχει ένας ανταγωνισμός μεταξύ της περιστροφής της μαύρης τρύπας και της τριβής και της πίεσης μέσα στο δίσκο», είπε ο Kaz. “Η ζώνη ρήξης είναι όπου κερδίζει η μαύρη τρύπα. Ο εσωτερικός και ο εξωτερικός δίσκος συγκρούονται μεταξύ τους. Ο εξωτερικός δίσκος ξυρίζει τα στρώματα του εσωτερικού δίσκου, ωθώντας τα προς τα μέσα.

Τώρα οι υποδίσκοι τέμνονται σε διαφορετικές γωνίες. Ο εξωτερικός δίσκος χύνει υλικό πάνω στον εσωτερικό δίσκο. Αυτή η επιπλέον μάζα σπρώχνει επίσης τον εσωτερικό δίσκο προς τη μαύρη τρύπα, όπου τρώγεται. Στη συνέχεια, η βαρύτητα της μαύρης τρύπας τραβά το αέριο από την εξωτερική περιοχή προς την άδεια τώρα εσωτερική περιοχή για να το ξαναγεμίσει.

Επαφή κβάζαρ

Αυτοί οι γρήγοροι κύκλοι φαγητού, χορτασμού και φαγητού εξηγούν πιθανώς τη λεγόμενη «μεταβλητή εμφάνιση» του κβάζαρ, είπε ο Καζ. Τα κβάζαρ είναι εξαιρετικά φωτεινά αντικείμενα που εκπέμπουν 1.000 φορές περισσότερη ενέργεια από τη συνολική ενέργεια Γαλαξίας200 δισεκατομμύρια έως 400 δισεκατομμύρια αστέρια. Τα κβάζαρ με μεταβλητή εμφάνιση θεωρούνται πιο ακραία. Φαίνεται να ανάβουν και να σβήνουν σε μια περίοδο μηνών, που είναι μια μικρή χρονική περίοδος για ένα τυπικό κβάζαρ.

Αν και η κλασική θεωρία έκανε υποθέσεις σχετικά με το πόσο γρήγορα εξελίσσονται οι δίσκοι προσαύξησης και αλλάζουν στη φωτεινότητα, οι παρατηρήσεις των κβάζαρ με μεταβλητή εμφάνιση υποδηλώνουν ότι στην πραγματικότητα εξελίσσονται πολύ πιο γρήγορα.

«Η εσωτερική περιοχή του δίσκου προσαύξησης, από όπου προέρχεται το μεγαλύτερο μέρος της φωτεινότητας, θα μπορούσε να εξαφανιστεί εντελώς — πολύ γρήγορα, μέσα σε μήνες», είπε ο Kaz. “Το βλέπουμε να εξαφανίζεται τελείως. Το σύστημα σταματά να φωτίζεται. Στη συνέχεια ανάβει ξανά και η διαδικασία επαναλαμβάνεται. Η συμβατική θεωρία δεν μπορεί να εξηγήσει γιατί εξαφανίστηκε εξαρχής, ούτε εξηγεί πώς ξαναγεμίζει τόσο γρήγορα.”

Όχι μόνο οι νέες προσομοιώσεις μπορούν να εξηγήσουν τα κβάζαρ, αλλά θα μπορούσαν επίσης να απαντήσουν σε επίμονες ερωτήσεις σχετικά με τη μυστηριώδη φύση των μαύρων τρυπών.

«Το πώς φτάνει το αέριο στη μαύρη τρύπα για να την τροφοδοτήσει είναι το κεντρικό ερώτημα στη φυσική του δίσκου προσαύξησης», είπε ο Kaz. «Αν ήξερες πώς συμβαίνει αυτό, θα σου έλεγε πόσο διαρκεί ο δίσκος, πόσο φωτεινός είναι και πώς πρέπει να μοιάζει το φως όταν τον παρατηρούμε με τηλεσκόπια».

Παραπομπή: «Τα ακροφύσια, το σχίσιμο του δίσκου και τα streamers οδηγούν σε ταχεία προσαύξηση σε 3D GRMHD προσομοιώσεις λεπτών στριμμένων δίσκων» από τους Nicholas Kaz, Matthew T. B. Leska, Jonathan Jacquemin Eade, Zachary L. Andalman, Jeboa Mosukihov Borkoyth, και Ochek , 20 Σεπτεμβρίου 2023, Astrophysical Journal.
doi: 10.3847/1538-4357/ace051

Η μελέτη υποστηρίχθηκε από το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ και το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών.