Исследователи из Хельсинкского университета совершили важный прорыв в изучении рентгеновского излучения, исходящего из окрестностей чёрных дыр. Эти достижения являются результатом многолетних исследований и использования сложного суперкомпьютерного моделирования.
Экспертам удалось воссоздать взаимодействие между излучением, плазмой и магнитными полями вокруг чёрных дыр, установив, что хаотичная динамика магнитных полей нагревает плазму, вызывая её излучение.
Исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, представляет первую в своём роде модель физики плазмы, которая учитывает все ключевые квантовые взаимодействия между излучением и плазмой.
Чёрные дыры формируются при коллапсе массивных звёзд и обладают такой сильной гравитацией, что свет не может их покинуть. Таким образом, чёрные дыры можно наблюдать только через их влияние на окружающую среду.
Большая часть наблюдаемых чёрных дыр имеет звезду-компаньона, образующую двойную звёздную систему. В этой системе два объекта вращаются вокруг друг друга, а вещество звезды-компаньона постепенно попадает в чёрную дыру, создавая аккреционный диск — яркий источник рентгеновского излучения.
С 1970-х годов учёные пытались смоделировать излучение аккреционных потоков вокруг чёрных дыр. Уже тогда считалось, что рентгеновские лучи образуются за счёт взаимодействия местного газа и магнитных полей, подобно тому, как солнечные вспышки нагревают окрестности Солнца.
Под руководством доцента Йоонаса Няттиля (Joonas Nättilä), исследователи из Хельсинкского университета воспроизвели взаимодействие между излучением, плазмой и магнитными полями вокруг чёрных дыр. Они обнаружили, что турбулентные магнитные поля настолько сильны, что важные квантовые эффекты становятся частью динамики плазмы.
Моделирование продемонстрировало, что рентгеновское излучение может превращаться в электроны и позитроны, которые затем аннигилируют, превращаясь обратно в излучение. Это явление обусловлено экстремально энергичной средой вокруг чёрных дыр, где взаимодействие между электронами и позитронами возможно.
Няттиля поясняет, что электроны и позитроны, являясь античастицами друг для друга, обычно не встречаются в одном месте. Однако экстремальные условия вокруг чёрных дыр делают это возможным. Излучение также взаимодействует с плазмой, так как фотоны вблизи чёрных дыр обладают высокой энергией, что делает их взаимодействие значимым для плазмы.
«В повседневной жизни такие квантовые явления, когда материя внезапно появляется из яркого света, не встречаются, но вблизи чёрных дыр они реальны», — поясняет Няттиля.
Исследование показало, что плазма вокруг чёрных дыр может пребывать в двух различных состояниях, зависимых от внешнего излучения: одном — прозрачном и холодном, другом — непрозрачном и горячем. Это соответствует наблюдаемым различиям между так называемыми мягкими и жёсткими состояниями аккреционных дисков.
«Рентгеновские наблюдения аккреционных дисков чёрных дыр показывают такие же различия между мягкими и жёсткими состояниями», — отмечает Няттиля.
Учёные подчеркивают, что их работа является результатом многолетних усилий и тщательной интеграции квантовых явлений в симуляции. Они надеются, что это исследование будет способствовать лучшему пониманию чёрных дыр и их значения во Вселенной. «Нам потребовались годы, чтобы включить все квантовые явления природного характера в модели, но это стоило затраченных усилий», — добавляет Няттиля.
Источник: iXBT
