Szybka uczta czarnych dziur szokuje naukowców

Nowe badania ujawniają, że supermasywne czarne dziury pochłaniają otaczającą je materię szybciej, niż wcześniej sądzono. Ta obserwacja, wyprowadzona z symulacji w wysokiej rozdzielczości, może wyjaśnić, dlaczego kwazary tak szybko się spalają i zanikają.

nowy Uniwersytet Północno-ZachodniBadania, które prowadzi, zmieniają sposób, w jaki astrofizycy rozumieją nawyki żywieniowe supermasywnych czarnych dziur.

Podczas gdy poprzedni badacze zakładali, że czarne dziury jedzą powoli, nowe symulacje sugerują, że czarne dziury pokrywają żywność znacznie szybciej, niż sugeruje to konwencjonalna wiedza.

Badanie opublikowano 20 września the Dziennik astrofizyczny.

Spostrzeżenia dotyczące symulacji

Według nowych symulacji 3D o wysokiej rozdzielczości, obracające się czarne dziury wypaczają otaczającą je czasoprzestrzeń, ostatecznie rozdzierając gwałtowny wir gazu (lub dysk akrecyjny), który je otacza i zasila. Spowoduje to rozbicie dysku na poddyski wewnętrzne i zewnętrzne. Czarne dziury najpierw pożerają pierścień wewnętrzny. Resztki z zewnętrznego dysku pomocniczego rozlewają się następnie do wewnątrz, wypełniając lukę pozostawioną przez całkowicie zużyty pierścień wewnętrzny, a proces jedzenia się powtarza.

Jeden cykl tego nieprzerwanego procesu jedzenia, uzupełniania i jedzenia trwa tylko miesiące – to szokująco krótki okres czasu w porównaniu z setkami lat sugerowanymi wcześniej przez badaczy.

To nowe odkrycie może pomóc w wyjaśnieniu dramatycznego zachowania niektórych z najjaśniejszych obiektów na nocnym niebie, w tym kwazarów, które nagle wybuchają, a następnie znikają bez wyjaśnienia.

Ta symulacja pokazuje, jak dysk akrecyjny supermasywnej czarnej dziury może podzielić się na dwa poddyski, które na tym zdjęciu nie są ustawione w jednej linii. Źródło: Nick Kaz/Northwestern University

„Klasyczna teoria dysku akrecyjnego przewiduje, że dysk ewoluuje powoli” – powiedział Nick Kaz z Northwestern University, który kierował badaniem. „Ale niektóre kwazary – powstałe w wyniku pożerania przez czarne dziury gazu z dysków akrecyjnych – wydają się zmieniać radykalnie w czasie na przestrzeni miesięcy, a nawet lat. Ta różnica jest dość dramatyczna. Wnętrze dysku, skąd pochodzi większość światła, wydaje się zostać zniszczone. Następnie się regeneruje. Klasyczna teoria dysku akrecyjnego nie jest w stanie wyjaśnić tej drastycznej różnicy. Ale zjawiska, które widzimy w naszych symulacjach, mogą. Gwałtowne rozjaśnianie i przyciemnianie jest zgodne ze zniszczeniem wewnętrznych obszarów dysku.

Kaz jest absolwentem astronomii w Weinberg College of Arts and Sciences na Uniwersytecie Northwestern oraz członkiem Centrum Interdyscyplinarnych Badań i Badań Astrofizycznych (CIERA). Kaz doradzał współautorowi artykułu Aleksandrowi Czechowskiemu, profesorowi nadzwyczajnemu fizyki i astronomii w Weinbergu oraz członkowi CIERA.

Fałszywe założenia

Dyski akrecyjne otaczające czarne dziury są obiektami złożonymi fizycznie, co sprawia, że ​​bardzo trudno je modelować. Tradycyjna teoria miała trudności z wyjaśnieniem, dlaczego te dyski świecą jasno, a następnie nagle przygasają, czasami aż do całkowitego zniknięcia.

Poprzedni badacze błędnie zakładali, że dyski akrecyjne są stosunkowo zorganizowane. W tych modelach gazy i cząstki obracają się wokół Czarna dziura – W tej samej płaszczyźnie co czarna dziura i w tym samym kierunku obrotu czarnej dziury. Następnie, w ciągu setek do setek tysięcy lat, cząsteczki gazu stopniowo wpadają spiralnie do czarnej dziury, aby ją zasilić.

„Sposób, w jaki gaz dociera do czarnej dziury, aby ją zasilić, to główne pytanie w fizyce dysków akrecyjnych. Jeśli wiesz, jak to się dzieje, powie ci, jak długo dysk trwa, jak jasny jest i jak powinno wyglądać światło, gdy obserwujemy to za pomocą teleskopów.”
-Nick Kaz, główny autor

„Przez dziesięciolecia ludzie wychodzili z dość poważnego założenia, że ​​dyski akrecyjne odpowiadają rotacji czarnej dziury” – powiedział Kaz. „Ale gaz zasilający te czarne dziury niekoniecznie wie, w którym kierunku się obraca czarna dziura, więc dlaczego miałby automatycznie się ustawiać? Zmiana ustawienia radykalnie zmienia obraz.”

Symulacja badaczy, która jest jedną z dotychczasowych symulacji dysków akrecyjnych o najwyższej rozdzielczości, sugeruje, że obszary wokół czarnej dziury są miejscami znacznie bardziej chaotycznymi i burzliwymi, niż wcześniej sądzono.

Bardziej jak żyroskop, mniej jak obraz

Korzystając z Summit, jednego z największych superkomputerów na świecie, zlokalizowanego w Oak Ridge National Laboratory, badacze przeprowadzili trójwymiarową ogólną symulację magnetohydrodynamiczną (GRMHD) cienkiego, nachylonego dysku akrecyjnego. Chociaż poprzednie symulacje nie były wystarczająco solidne, aby uwzględnić całą fizykę potrzebną do zbudowania realistycznej czarnej dziury, model opracowany przez Northwestern uwzględnia dynamikę gazu, pola magnetyczne i ogólną teorię względności, aby złożyć pełniejszy obraz.

„Czarne dziury to obiekty skrajnie relatywistyczne, które wpływają na otaczającą je czasoprzestrzeń” – powiedział Kaz. „Kiedy więc się obraca, przyciąga przestrzeń wokół siebie niczym gigantyczna karuzela i zmusza ją również do wirowania – zjawisko to nazywa się „przeciąganiem klatek”. Tworzy to naprawdę silny efekt w pobliżu czarnej dziury, która staje się coraz słabsza. dalej.”

Pociągnięcie ramy powoduje, że cały dysk kołysze się w kółko, podobnie jak porusza się żyroskop. Ale dysk wewnętrzny chce się chybotać znacznie szybciej niż części zewnętrzne. To niedopasowanie sił powoduje wypaczenie całego dysku, powodując zderzenie gazu z różnych części dysku. Zderzenia powodują jasne wstrząsy, które gwałtownie popychają materię coraz bliżej czarnej dziury.

W miarę jak skręcenie staje się coraz poważniejsze, głębszy obszar dysku akrecyjnego nadal oscyluje coraz szybciej, aż oddzieli się od reszty dysku. Następnie, zgodnie z nowymi symulacjami, poddyski zaczynają ewoluować niezależnie od siebie. Zamiast poruszać się płynnie niczym płaska płyta otaczająca czarną dziurę, poddyski kołyszą się niezależnie z różnymi prędkościami i kątami, jak koła w żyroskopie.

„Kiedy wewnętrzny dysk pęknie, zacznie się poruszać sam” – powiedział Kaz. „Porusza się szybciej, ponieważ znajduje się bliżej czarnej dziury i jest mniejszy, więc łatwiej go poruszać”.

„Gdzie wygrywa czarna dziura”

Według nowej symulacji strefa pęknięcia – w której oddzielają się dyski wewnętrzne i zewnętrzne – to miejsce, w którym naprawdę zaczyna się szał karmienia. Podczas gdy tarcie stara się utrzymać dysk w całości, zakrzywienie czasoprzestrzeni przez obracającą się czarną dziurę chce go rozerwać.

„Istnieje konkurencja pomiędzy rotacją czarnej dziury a tarciem i ciśnieniem wewnątrz dysku” – powiedział Kaz. „Strefa pęknięcia to miejsce, w którym wygrywa czarna dziura. Dysk wewnętrzny i zewnętrzny zderzają się ze sobą. Dysk zewnętrzny goli warstwy dysku wewnętrznego, wypychając je do wewnątrz.

Teraz poddyski przecinają się pod różnymi kątami. Zewnętrzny dysk wylewa materiał na wewnętrzny dysk. Ta dodatkowa masa popycha również dysk wewnętrzny w stronę czarnej dziury, gdzie zostaje zjadana. Grawitacja czarnej dziury przyciąga następnie gaz z obszaru zewnętrznego do pustego już obszaru wewnętrznego, aby go ponownie wypełnić.

Kontakt z kwazarem

Te szybkie cykle jedzenia, napełniania i jedzenia prawdopodobnie wyjaśniają tak zwany „zmienny wygląd kwazara” – powiedział Kaz. Kwazary to niezwykle jasne obiekty, które emitują 1000 razy więcej energii niż energia całkowita droga Mleczna200 miliardów do 400 miliardów gwiazd. Kwazary o zmiennym wyglądzie są uważane za bardziej ekstremalne. Wydaje się, że włączają się i wyłączają w ciągu kilku miesięcy, co jest krótkim okresem czasu dla typowego kwazara.

Chociaż w teorii klasycznej przyjęto założenia dotyczące szybkości ewolucji dysków akrecyjnych i zmiany ich jasności, obserwacje kwazarów o zmiennym wyglądzie sugerują, że w rzeczywistości ewoluują one znacznie szybciej.

„Wewnętrzny obszar dysku akrecyjnego, skąd pochodzi większość jasności, może całkowicie zniknąć – bardzo szybko, w ciągu kilku miesięcy” – powiedział Kaz. „Widzimy, jak całkowicie znika. System przestaje się rozjaśniać. Potem zapala się ponownie i proces się powtarza. Konwencjonalna teoria nie jest w stanie wyjaśnić, dlaczego w ogóle zniknęła, ani nie wyjaśnia, w jaki sposób tak szybko się napełnia. „

Nowe symulacje mogą nie tylko wyjaśnić kwazary, ale mogą także odpowiedzieć na utrzymujące się pytania dotyczące tajemniczej natury czarnych dziur.

„Sposób, w jaki gaz dociera do czarnej dziury, aby ją zasilić, jest głównym pytaniem w fizyce dysku akrecyjnego” – powiedział Kaz. „Gdybyś wiedział, jak to się dzieje, wiedziałbyś, jak długo dysk trwa, jak jasny jest i jak powinno wyglądać światło, gdy obserwujemy go przez teleskopy”.

Odniesienie: „Wstrząsy dyszy, rozrywanie dysków i strumienie prowadzą do szybkiej akrecji w symulacjach 3D GRMHD cienkich skręconych dysków” autorstwa Nicholasa Kaza, Matthew T. B. Leski, Jonathana Jacquemina Eade’a, Zachary’ego L. Andalmana, Jeboa Mosuki, Aleksandra Czechowskiego i Olivera Bortha , 20 września 2023, Dziennik astrofizyczny.
doi: 10.3847/1538-4357/ace051

Badanie zostało wsparte przez Departament Energii Stanów Zjednoczonych i Narodową Fundację Nauki.