Naukowcy odkryli, że strumienie plazmy wyrzucane przez gwiazdowe czarne dziury powstają, gdy wewnętrzna krawędź dysku akrecyjnego gwałtownie przesuwa się w stronę czarnej dziury, osiągając najbliższą stabilną orbitę (ISCO).
Źródło: T. Kawaguchi (University of Toyama) i K. Yamaoka (Nagoya University)
Czarne dziury mają fundamentalne znaczenie dla struktury galaktyki i są kluczowe dla naszego zrozumienia grawitacji, przestrzeni i czasu. Czarna dziura o masie gwiazdowej to rodzaj czarnej dziury, która powstaje w wyniku grawitacyjnego zapadnięcia się masywnej gwiazdy pod koniec jej cyklu życia. Takie czarne dziury mają zazwyczaj masę od około 3 do 20 razy większą od masy naszego Słońca.
Czasami czarne dziury generują wiązki zjonizowanego gazu (plazmy), które wystrzeliwują na zewnątrz z prędkością bliską prędkości światła. Chociaż odkryto je ponad sto lat temu, sposób i przyczyna powstawania strumieni pozostaje tajemnicą, określaną jako jeden z cudów fizyki.
Prof. Kazutaka Yamaoka z Uniwersytetu Nagoya w Japonii, wraz z kolegami z Uniwersytetu Toyama i innych międzynarodowych instytutów, odkryli kluczowe warunki potrzebne do tego, aby gwiazdowa czarna dziura mogła tworzyć strumienie plazmowe. Ich odkrycia, opublikowane w czasopiśmie Publications of the Astronomical Society of Japan, pokazują, że gdy przegrzana materia gazowa gwałtownie kurczy się w kierunku czarnej dziury, dochodzi do formowania się strumieni.
Wirujące dyski kosmicznej materii
Zrozumienie wyrzutu strumieni w czarnych dziurach ma kluczowe znaczenie, ponieważ rzuca światło na ewolucję galaktyk, dystrybucję energii we Wszechświecie i właściwości samych czarnych dziur. Strumienie wpływają na formowanie się gwiazd, rozprowadzają energię na ogromne odległości i służą jako kosmiczne sygnały nawigacyjne do lokalizacji odległych czarnych dziur. Ponadto zapewniają one wgląd w fundamentalną fizykę czarnych dziur.
Materiał taki jak pył i gaz jest przyciągany w kierunku czarnych dziur z powodu ich silnej grawitacji. Materia ta wiruje wokół czarnej dziury w cienkim dysku, zwanym dyskiem akrecyjnym, który jest niezbędny do utworzenia strumieni.
Naukowcy zbadali układ czarnych dziur składający się z gwiazdowej czarnej dziury i gwiazdy podobnej do Słońca krążących wokół siebie. W układzie tym występuje 5 lub 6 strumieni w okresie około 20 dni, co czyni go idealnym do badań tego zjawiska. Analizując dane z obserwacji rentgenowskich i radiowych z lat 1999-2000, naukowcy mogli śledzić, jak szybko emisje rentgenowskie w pobliżu czarnej dziury zmieniały się w czasie i zmierzyć całkowitą ilość energii wytwarzanej przez strumienie.
Przyczyny powstawania strumieni
Wyniki pokazały, że strumienie pojawiają się, gdy wewnętrzny promień dysku akrecyjnego nagle maleje i osiąga najbliższą stabilną orbitę kołową (ISCO), czyli najbliższą, po której może krążyć materia, nie wpadając do czarnej dziury.
Naukowcy zaobserwowali, że początkowo wewnętrzny promień dysku gazowego znajdował się dalej od czarnej dziury. Gdy wewnętrzny promień dysku gwałtownie się kurczy i osiąga ISCO, następuje erupcja strumienia. Strumień nadal wybucha przez pewien czas; jednak gdy ruch kurczenia się wewnętrznej krawędzi dysku ustaje, sam strumień zostaje wstrzymany.
Na tej podstawie zidentyfikowali dwa kluczowe warunki potrzebne do utworzenia strumieni przez gwiazdową czarną dziurę: wewnętrzna krawędź dysku gazowego otaczającego czarną dziurę musi szybko zbliżyć się do czarnej dziury, a ruch ten musi dotrzeć do ISCO.
Naukowcy już wcześniej wiedzieli, że gdy czarna dziura wybucha, promieniowanie rentgenowskie staje się bardziej miękkie (więcej niskoenergetycznego promieniowania rentgenowskiego w porównaniu do wysokoenergetycznego) i wykazuje mniej gwałtownych fluktuacji w krótkiej skali czasowej. W badaniach odkryto, co jest faktycznym czynnikiem wyzwalającym powstawanie strumieni. Gdy ta wewnętrzna krawędź kurczy się, wytwarza więcej miękkiego promieniowania rentgenowskiego o mniejszej zmienności w porównaniu z wysoce zmiennym twardym promieniowaniem rentgenowskim. Wyjaśnia to, dlaczego wzorce rentgenowskie zmieniają się tuż przed formowaniem się strumieni.
Badania te ujawniają, że strumienie tworzą się w zmiennych, dynamicznych warunkach, a nie w stabilnych, statycznych, jak zakładało wiele modeli teoretycznych. Teraz naukowcy mogą lepiej przewidywać występowanie strumieni plazmowych i badać mechanizmy stojące za nimi w czasie rzeczywistym.
Nasze odkrycie dotyczące powstawania strumieni w gwiazdowych czarnych dziurach może stanowić uniwersalny klucz do zrozumienia tych zjawisk. Chociaż te układy podwójne – w których czarną dziurę okrąża normalna gwiazda – znacznie różnią się od supermasywnych czarnych dziur znajdujących się w jądrach galaktyk, uważamy, że podobne mechanizmy fizyczne działają we wszystkich skalach czarnych dziur – wyjaśnił prof. Yamaoka.
Chociaż stanowi to wyzwanie ze względu na ich wolniejszą ewolucję czasową i trudności w pomiarze ich wewnętrznych struktur, zastosowanie naszych odkryć do supermasywnych czarnych dziur jest naszym kolejnym krokiem – dodał.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
Nagoya University
