Bir kara deliğin bir parlamaya kadar olan süreçte yukarıdan aşağıya görünümü. Sıcak plazma başlangıçta kara deliğe akar. Manyetik alan geliştikçe, bu akış tersine döner ve bazı malzemeleri dışarı doğru fırlatır. Bu hızlandırılmış malzeme parlamayı oluşturur. Kredi: B. Ripperda ve diğerleri, Astrophysical Journal Letters 202
Şimdiye kadarki en büyük simülasyonlar, manyetik ‘yeniden bağlantı’ tarafından desteklenen titremeyi gösteriyor.
Flatiron Enstitüsü’ndeki araştırmacılar ve onların işbirlikçileri, olay ufkunun yakınındaki manyetik alan çizgilerinin kırılmasının ve yeniden bağlanmasının, bir nesneden enerji saldığını buldular.[{” attribute=””>black hole’s magnetic field, accelerating particles that generate intense flares. The findings hint at exciting new possibilities in black hole observation.
Black holes aren’t always in the dark. Astronomers have spotted intense light shows shining from just outside the event horizon of supermassive black holes, including the one at our galaxy’s core. However, scientists couldn’t identify the cause of these flares beyond the suspected involvement of magnetic fields.
By employing computer simulations of unparalleled power and resolution, physicists say they’ve solved the mystery: Energy released near a black hole’s event horizon during the reconnection of magnetic field lines powers the flares, the researchers report in The Astrophysical Journal Letters.
The new simulations show that interactions between the magnetic field and material falling into the black hole’s maw cause the field to compress, flatten, break and reconnect. That process ultimately uses magnetic energy to slingshot hot plasma particles at near light speed into the black hole or out into space. Those particles can then directly radiate away some of their kinetic energy as photons and give nearby photons an energy boost. Those energetic photons make up the mysterious black hole flares.
A snapshot from one of the new black hole simulations. Credit: B. Ripperda et al., Astrophysical Journal Letters 2022
In this model, the disk of previously infalling material is ejected during flares, clearing the area around the event horizon. This tidying up could provide astronomers an unhindered view of the usually obscured processes happening just outside the event horizon.
“The fundamental process of reconnecting magnetic field lines near the event horizon can tap the magnetic energy of the black hole’s magnetosphere to power rapid and bright flares,” says study co-lead author Bart Ripperda, a joint postdoctoral fellow at the Flatiron Institute’s Center for Computational Astrophysics (CCA) in New York City and Princeton University. “This is really where we’re connecting plasma physics with astrophysics.”
Ripperda co-authored the new study with CCA associate research scientist Alexander Philippov, Harvard University scientists Matthew Liska and Koushik Chatterjee, University of Amsterdam scientists Gibwa Musoke and Sera Markoff, Northwestern University scientist Alexander Tchekhovskoy and University College London scientist Ziri Younsi.
Bir kara deliğin bir parlamaya kadar olan süreçte yukarıdan aşağıya görünümü. Sıcak plazma başlangıçta kara deliğe akar. Manyetik alan geliştikçe, bu akış tersine döner ve bazı malzemeleri dışarı doğru fırlatır. Bu hızlandırılmış malzeme parlamayı oluşturur. Kredi: B. Ripperda ve diğerleri, Astrophysical Journal Letters 202
Adına uygun bir kara delik ışık yaymaz. Bu nedenle, parlamalar kara deliğin olay ufkunun dışından gelmelidir – kara deliğin çekim gücünün o kadar güçlü hale geldiği sınır, ışığın bile kaçamayacağı sınırdır. Yörüngede dönen ve düşen malzeme, M87 galaksisinde bulunan dev kara deliğin etrafındaki gibi, bir yığılma diski biçimindeki kara delikleri çevreler. Bu malzeme, kara deliğin ekvatorunun yakınındaki olay ufkuna doğru basamaklanır. Bu kara deliklerin bazılarının kuzey ve güney kutuplarında, parçacık jetleri neredeyse ışık hızında uzaya fırlar.
Bir kara deliğin anatomisinde parlamaların nerede oluştuğunu belirlemek, ilgili fizik nedeniyle inanılmaz derecede zordur. Kara delikler, zamanı ve uzayı büker ve güçlü manyetik alanlar, radyasyon alanları ve türbülanslı plazma ile çevrilidir – o kadar sıcaktır ki elektronlar atomlarından ayrılır. Güçlü bilgisayarların yardımıyla bile, önceki çabalar, yalnızca parlamalara güç sağlayan mekanizmayı göremeyecek kadar düşük çözünürlüklerde kara delik sistemlerini simüle edebilirdi.
Ripperda ve meslektaşları, simülasyonlarında ayrıntı düzeyini artırmak için her şeyi yaptılar. Üç süper bilgisayarda hesaplama zamanı kullandılar – Tennessee’deki Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı’ndaki Summit süper bilgisayarı, Austin’deki Texas Üniversitesi’ndeki Longhorn süper bilgisayarı ve California Üniversitesi, San Diego’da bulunan Flatiron Enstitüsü’nün Temel Reis süper bilgisayarı. Toplamda, proje milyonlarca bilgi işlem saatini aldı. Tüm bu hesaplama gücünün sonucu, bir kara deliğin çevresinin şimdiye kadar yapılmış en yüksek çözünürlüklü simülasyonuydu ve önceki çabaların 1000 katından fazla çözünürlükle.
Artan çözünürlük, araştırmacılara bir kara delik parlamasına yol açan mekanizmaların benzeri görülmemiş bir resmini verdi. Süreç, kara deliğin olay ufkundan fışkıran, jeti oluşturan ve yığılma diskine bağlanan manyetik alan çizgilerine sahip olan kara deliğin manyetik alanına odaklanır. Önceki simülasyonlar, kara deliğin ekvatoruna akan malzemenin manyetik alan çizgilerini olay ufkuna doğru sürüklediğini ortaya çıkardı. Sürüklenen alan çizgileri olay ufkunun yakınında yığılmaya başlar ve sonunda geri iterek içeri akan materyali engeller.
Yeni kara delik simülasyonlarından birinden bir anlık görüntü. Burada, yeşil manyetik alan çizgileri bir sıcak plazma haritasının üzerine bindirilir. Kara deliğin olay ufkunun hemen dışında, zıt yönleri gösteren manyetik alan çizgilerinin bağlantısı, kesiştikleri yerde bir X noktası oluşturur. Bu yeniden bağlanma süreci, plazmadaki bazı parçacıkları karadeliğe, bazılarını da uzaya fırlatır, bu da kara delik parlamalarının oluşumunda önemli bir adımdır. Kredi: B. Ripperda ve diğerleri, Astrophysical Journal Letters 2022
Olağanüstü çözünürlüğü ile yeni simülasyon ilk kez, akan malzeme ile kara deliğin jetleri arasındaki sınırdaki manyetik alanın nasıl yoğunlaştığını, ekvator alan çizgilerini sıkıştırdığını ve düzleştirdiğini yakaladı. Bu alan çizgileri artık kara deliğe doğru veya ondan uzağa işaret eden alternatif şeritlerde. Zıt yönleri gösteren iki çizgi birleştiğinde kırılabilir, yeniden bağlanabilir ve karışabilir. Bağlantı noktaları arasında manyetik alanda bir cep oluşur. Bu cepler, jetlerdeki manyetik alandan alınan enerji sayesinde ya kara deliğe düşen ya da muazzam hızlarda uzaya doğru hızlandırılan sıcak plazma ile doldurulur.
Ripperda, “Simülasyonlarımızın yüksek çözünürlüğü olmadan alt dinamikleri ve altyapıları yakalayamazsınız” diyor. “Düşük çözünürlüklü modellerde yeniden bağlantı oluşmaz, dolayısıyla parçacıkları hızlandırabilecek hiçbir mekanizma yoktur.”
Fırlatılan malzemedeki plazma parçacıkları, hemen bir miktar enerjiyi fotonlar olarak yayar. Plazma parçacıkları, yakındaki fotonlara bir enerji artışı sağlamak için gereken enerji aralığına daha da dalabilirler. Bu fotonlar, ya yoldan geçenler ya da fırlatılan plazma tarafından başlangıçta yaratılan fotonlar, en enerjik parlamaları oluşturur. Malzemenin kendisi kara deliğin çevresinde dönen bir sıcak damla ile son buluyor. Yakınlarda böyle bir leke görüldü Samanyolusüper kütleli kara delik. Ripperda, “Böyle bir sıcak noktaya güç sağlayan manyetik yeniden bağlantı, bu gözlemi açıklamak için dumanı tüten bir silahtır” diyor.
Araştırmacılar ayrıca kara delik bir süre parladıktan sonra manyetik alan enerjisinin azaldığını ve sistemin sıfırlandığını gözlemlediler. Sonra, zamanla süreç yeniden başlar. Bu döngüsel mekanizma, kara deliklerin neden her gün (Samanyolu’nun süper kütleli kara deliği için) ile birkaç yılda bir (M87 ve diğer kara delikler için) arasında değişen belirli programlarda parlamalar yaydığını açıklıyor.
Ripperda, yakın zamanda başlatılan gözlemlerin James Webb Uzay Teleskobu Event Horizon Teleskobu’ndan gelenlerle birleştirildiğinde, yeni simülasyonlarda görülen sürecin gerçekleşip gerçekleşmediğini ve bir kara deliğin gölgesinin görüntülerini değiştirip değiştirmediğini doğrulayabilir. “Görmemiz gerekecek,” diyor Ripperda. Şimdilik, kendisi ve meslektaşları simülasyonlarını daha da ayrıntılı bir şekilde geliştirmek için çalışıyorlar.
Referans: B. Ripperda, M. Liska, K. Chatterjee, G. Musoke, AA Philippov, SB Markoff, A. Tchekhovskoy ve Z. Younsi, “Kara Delik Flares: Ejection of Accreted Magnetic Flux via 3D Plasmoid-aracılı Reconnection”, 14 Ocak 2022, Astrofizik Dergi Mektupları.
DOI: 10.3847/2041-8213/ac46a1