Учёные из Хельсинкского университета достигли значительного прорыва в понимании рентгеновского излучения, исходящего из окрестностей чёрных дыр. Этот успех является результатом десятилетий исследований и применения детального суперкомпьютерного моделирования.

Исследователи смогли смоделировать взаимодействие между излучением, плазмой и магнитными полями вокруг чёрных дыр, обнаружив, что хаотические движения магнитных полей нагревают плазму, заставляя её излучать.

Исследование, опубликованное в Nature Communications, представляет собой первую модель физики плазмы, которая включает все важные квантовые взаимодействия между излучением и плазмой.

Чёрные дыры образуются при коллапсе массивных звёзд, их гравитация так сильна, что не позволяет даже свету покинуть их сферу влияния. Поэтому чёрные дыры можно наблюдать только косвенно, через их воздействие на окружающую среду.

Большинство наблюдаемых чёрных дыр имеют звезду-компаньона, образующую двойную звёздную систему. В этой системе два объекта вращаются вокруг друг друга, а вещество звезды-компаньона медленно по спирали попадает в чёрную дыру. Этот медленно текущий поток газа часто образует аккреционный диск вокруг чёрной дыры, яркий, наблюдаемый источник рентгеновского излучения.

С 1970-х годов предпринимались попытки смоделировать излучение от аккреционных потоков вокруг чёрных дыр. В то время уже считалось, что рентгеновские лучи генерируются посредством взаимодействия локального газа и магнитных полей, подобно тому, как окрестности Солнца нагреваются его магнитной активностью посредством солнечных вспышек.

Визуализация показывающая, как турбулентная плазма движется в намагниченной короне аккреционного диска. Источник: Jani Närhi

Исследователи из Хельсинкского университета, возглавляемые доцентом Йоонасом Няттиля (Joonas Nättilä), смоделировали взаимодействие между излучением, плазмой и магнитными полями вокруг чёрных дыр. Они обнаружили, что турбулентность вокруг этих объектов настолько сильна, что даже квантовые эффекты становятся важными для динамики плазмы.

Моделирование показало, что рентгеновское излучение может превращаться в электроны и позитроны, которые затем могут аннигилировать обратно в излучение при соприкосновении. Это явление является результатом чрезвычайно энергичного окружения чёрных дыр, которое делает возможным взаимодействие между электронами и позитронами.

Няттиля описывает, что электроны и позитроны, античастицы друг для друга, обычно не встречаются в одном и том же месте. Однако чрезвычайно энергичное окружение чёрных дыр делает даже это возможным. Излучение также не взаимодействует с плазмой. Однако фотоны настолько энергичны вокруг чёрных дыр, что их взаимодействия важны и для плазмы.

« В повседневной жизни такие квантовые явления, когда вместо чрезвычайно яркого света внезапно появляется материя, конечно, не наблюдаются, но вблизи чёрных дыр они проявляютс я», —  говорит Няттиля.

Исследование также показало, что плазма вокруг  чёрных дыр может находиться в двух различных равновесных состояниях в зависимости от внешнего поля излучения. В одном состоянии плазма прозрачна и холодна, а в другом  — непрозрачна и горяча. Это соответствует наблюдаемым различ иями   между так называемыми мягкими и ж ёсткими состояниями аккреционных дисков чёрных дыр.

 «Рентгеновские наблюдения аккреционных дисков чё рных дыр показывают точно такие же различия между так называемыми мягкими и жёсткими состояниями» , —  отмечает Няттиля.

Учёные отмечают, что их исследование является результатом многолетних усилий и добавления всех квантовых явлений в симуляцию. Они надеются, что эта работа будет способствовать дальнейшему пониманию чёрных дыр и их роли во Вселенной. «  Нам потребовались годы, чтобы исследовать и добавить в симуляции все квантовые явления, происходящие в природе, но в конечном итоге это того стоило »,  — добавил Няттиля.