Găurile negre. Evoluţii recente

Un nou studiu realizat de astronomii NASA din cadrul Johns Hopkins University și Rochester Institute of Technology confirmă bănuielile mai vechi cu privire la modul prin care găurile negre de masă stelară produc lumina lor de cea mai mare energie.

„Reprezentăm cu precizie obiectul real şi calculăm lumina pe care un astronom o poate observa", spune Scott Noble, cercetător asociat al RIT's Center for Computaţional Relativity and Gravitation. „Acesta este un mod de calcul nou în care vom aduce toate piesele împreună. Vom începe cu ecuaţiile care ne aşteptăm să descrie sistemul sistemul şi apoi vom rezolva acele ecuații pe un supercomputer. Acesta ne furnizează nouă datele cu care putem apoi face previziuni ale spectrului de raze X".

Această imagine comentată indică, prin etichete, mai multe caracteristici din simulare, inclusiv orizontul unei găuri negre
Credit: NASA Goddard Space Flight Center

Conducătorul studiului, Jeremy Schnittman, un astrofizican al NASA din partea Goddard Space Flight Center, spune că lucrarea prezintă unul dintre cele mai extreme medii fizice din Univers: „munca noastră urmăreşte mişcările complexe, interacţiunea particulelor şi câmpurile magnetice turbulente din gazul având miliarde de grade de la marginea unei găuri negre."

Prin analizarea simulării computerizate a curgerii unui gaz într-o gaură neagră, echipa constată că se pot reproduce o gamă importantă de raze X, caracteristici îndelung observate ale găurilor negre active.

„Am prezis și am ajuns la aceleași dovezi cu cele pe care observatorii le au", spune Noble. „Acest lucru este foarte încurajator, deoarece el ne arată că înțelegem de fapt ce se întâmplă. Dacă am fi făcut toţi paşii corecţi și am fi obţinut un răspuns cu totul diferit, atunci ar trebuit să regândim ceea ce reprezintă modelul nostru".

Gazele care cad spre o gaură neagră iniţial orbitează în jurul acesteia şi apoi se acumulează într-un disc aplatizat. Treptat, gazele acumulate în acest disc urmează o traiectorie în spirală spre interior, devin comprimate şi se încălzesc pe măsură ce se apropie de centru. În cele din urmă gazul ajunge la temperaturi de până la 20 milioane de grade Fahrenheit (12 milioane C), unele fiind de 2000 de ori mai mari decât la suprafaţa Soarelui, gazul luminează puternic în energie joasă sau slab în raze X.

Cu toate acestea, observaţiile efectuate de-a lungul a mai mult de 40 de ani arată că găurile negre produc, de asemenea, cantităţi considerabile de raze X „tari", lumina lor având energia de 10 până la sute de ori mai mare decât în cadrul razelor X slabe. Această lumină de energie mai mare implică prezenţa unui gaz corespunzător mai cald, având temperaturi atingând miliarde de grade.

Acest nou studiu se constituie într-o punte între teorie şi observaţie, demonstrând că ambele tipuri de raze X, tari şi slabe, apar inevitabil în gazele aflate într-o mişcare spiralată spre o gaură neagră.

Lucrând cu Noble și Julian Krolik, profesorul Schnittman din cadrul Johns Hopkins University, a dezvoltat o metodă pentru a modela regiunea interioară a discului de acreție al găurii negre, urmărind emisia și mișcarea razelor X și comparând rezultatele cu observațiile găurilor negre reale.

Noble a dezvoltat o simulare de calculator ce rezolvă toate ecuaţiile ce descriu mişcare complexă a gazului și câmpurile magnetice asociate lui de lângă o gaură neagră în fază de acreţie. Creşterea temperaturii, densităţii şi a vitezei gazului aflat în cădere amplifică în mod dramatic câmpurile magnetice aplicate discului, care apoi exercita o influenţă suplimentară în gaz.

Rezultatul este o spumă turbulentă ce orbitează gaura neagră la viteze ce se apropie de viteza luminii. Calculele au urmărit simultan fluidul, proprietăţile electrice şi magnetice ale gazului, luând, de asemenea, în considerare teoria relativităţii a lui Einstein.

Rulând pe supercomputerul Ranger al Texas Advanced Computing Center aflat în cadrul University of Texas din Austin, simularea lui Noble a utilizat între 960 şi aproape 63.000 unități centrale de prelucrare ale supercomputerului Ranger şi a avut nevoie de 27 de zile pentru a finaliza.

De-a lungul anilor, observaţiile îmbunătăţite ale razelor X au furnizat probe ce au dovedit că originea razelor X tari se află într-o coroană fragilă, fierbinte, aflată deasupra discului de acreție, o structură similară coroanei fierbinţi care înconjoară Soarele.

„De asemenea, astronomii au presupus că discul poate susţine câmpuri magnetice puternice şi se aşteaptă ca aceste câmpuri să se poată dezvolta în afara lui creând coroana", spune Noble. „Dar nimeni nu ştia sigur dacă acest lucru s-a întâmplat cu adevărat şi, dacă a făcut-o, dacă razele X produse se potrivesc cu ceea ce observăm."

Utilizând datele generate de simularea lui Noble, Schnittman și Krolik au dezvoltat instrumente pentru a urmări modul în care au fost emise, absorbite și dispersate razele X atât de-a lungul discului de acreţie, cât și a regiunii din coroană. Într-un mod combinat, ele vor demonstra, pentru prima dată, o legătură directă între turbulenţele magnetice din disc, formarea unei coroane de miliarde de grade şi emisia de raze X tari în jurul unei găuri negre active. Rezultatele studiului, "X-ray Spectra from Magnetohydrodynamic Simulations of Accreting Black Holes", au fost publicate în ediţia din 1 iunie a The Astrophysical Journal (ApJ, 769, 156).

În coroană, electronii și alte particule se deplasează cu fracțiuni apreciabile din viteza luminii. Când o rază X de joasă energie din disc circulă prin această regiune, ea se poate ciocni cu o altă particulă aflată în mișcare rapidă. Impactul dintre ele crește foarte mult energia razelor X printr-un proces cunoscut sub numele de efect de împrăştiere Compton invers.

„Găurile negre sunt cu adevărat exotice, cu temperaturi extrem de ridicate, mişcări incredibil de rapide şi o gravitaţie prezentând caracteristicile descrise de teoria relativității generale", spune Krolik. „Dar calculele noastre arată că putem înţelege mai multe despre ele utilizând doar principiile fizice de bază."

Studiul a fost realizat considerând o gaură neagră care nu se roteşte. Cercetătorii doresc extinderea rezultatelor la găurile negre care se rotesc şi la care rotaţia trage marginea interioară a discului mai departe spre interior astfel încât condiţiile devin chiar mai extreme. Ei au de gând, de asemenea, să realizeze o comparație detaliată a rezultatelor lor cu numeroasele observații de raze X arhivate în prezent de către NASA și de alte instituții. Găurile negre sunt cele mai dense obiecte cunoscute. Găurile negre stelare se formează atunci când stelele masive rămân fără combustibil și colapsează, compactându-se în obiecte cereşti având masa de până la de 20 de ori masa Soarelui şi un diametru mai mic de 75 de mile (120 km).