Kara deliklerin etrafındaki manyetik akışları simüle etmek

Kara delikler, sadece kozmik elektrikli süpürgeler oldukları için değil, aynı zamanda enerjiyi şaşırtıcı bir ölçekte çıkarabilen ve yeniden dağıtabilen muazzam gücün motorları olarak büyüleyici bir çalışma konularıdır. Bu karanlık devler genellikle birikim diskleri olarak bilinen dönen gaz ve toz diskleriyle çevrilidir.

Bu diskler kuvvetli bir şekilde mıknatıslanmış olduğunda, Galaktik enerji santralleri gibi davranabilir ve Blandford-Znajek (BZ) etkisi olarak bilinen bir işlemde kara deliğin dönüşünden enerji çıkarabilirler.

Bilim adamları, BZ etkisinin enerji ekstraksiyon sürecindeki birincil mekanizma olduğunu teorize etmiş olsa da, birçok bilinmeyen, ne kadar enerjinin güçlü jetlere dönüştüğünü belirleyen şey gibi kalır – kara deliğin kutupları boyunca çıkarılan güçlü parçacık ve enerji akışları – veya sıcaklık.

Bu soruları cevaplamak için, Jila doktora sonrası araştırmacı Prasun Dhang ve Jila Fellows ve Colorado Boulder Üniversitesi Astrofizik ve Gezegensel Bilimler Profesörleri Mitch Begelman ve Jason Dexter gelişmiş bilgisayar simülasyonlarına döndü. İnce, yüksek derecede mıknatıslanmış biriktirme diskleriyle çevrili kara delikleri modelleyerek, bu esrarengiz sistemleri yönlendiren temel fiziği ortaya çıkarmaya çalıştılar.

Bulguları, yayınlanan Astrofizik Dergisikara deliklerin etrafındaki karmaşık fiziğe önemli bilgiler sunun ve galaksileri şekillendirmedeki rollerini nasıl anladığımızı yeniden tanımlayabilir.

Dexter’ı detaylandırıyor, “Şaşkın gazın bir kara delikten spin enerjisini çıkarabileceği uzun zamandır biliniyor.”

“Genellikle, bunun jetlere güç vermek için önemli olduğunu varsayıyoruz. Daha hassas ölçümler yaparak Prasun, daha önce bilinenden çok daha fazla enerji çıkarıldığını gösterdi. Bu enerji ışık olarak yayılabilir veya gazın dışarıya akmasına neden olabilir. Çıkarılan spin enerjisi, Kara Hole etkinlik ufkunun yakınındaki bölgeleri aydınlatmak için önemli bir enerji kaynağı olabilir. “

Kara deliğe kara deliğe kıyasla

Bilim adamları onlarca yıldır kara delikler ve evrenin en enerjik fenomenlerinden bazılarına nasıl güç verdiklerini anlamak için çevreleyen gaz ve manyetik alanlarla etkileşimlerini incelediler.

Erken araştırmalar öncelikle yarı küresel birikim akışına sahip düşük parlaklık kara delik kaynaklarına odaklanmıştır, çünkü bu sistemler gözlemlenen birçok jetle simüle etmek ve hizalamak nispeten daha kolaydır.

Bununla birlikte, geometrik olarak daha ince, daha yoğun mıknatıslanmış disklere sahip yüksek parlaklıklı kara delikler benzersiz bir zorluk sunar. Bu sistemler, ısıtma ve soğutmada dengesizlikler nedeniyle teorik olarak dengesizdir.

Bununla birlikte, Mitch Begelman’ın da dahil olduğu önceki çalışmalar, güçlü manyetik alanların bu ince diskleri stabilize edebileceğini öne sürdü, ancak enerji çıkarma ve jet oluşumundaki rollerinin detayları bu koşullarda belirsiz kaldı.

Dhang, “Bu son derece mıknatıslanmış ortamlarda enerji ekstraksiyonunun nasıl çalıştığını anlamak istedik.”

Kara deliklerin etrafındaki mıknatıslanmış akışları simüle etmek

Ekip, bu fenomeni keşfetmek için gelişmiş bilgisayar simülasyonları, özellikle 3D genel göreli manyetohidrodinamik (GRMHD) modeli adı verilen özel bir model türü kullandı.

GRMHD modeli, manyetik alanlar, akışkan dinamikleri ve Einstein’ın bu aşırı ortamlardaki karmaşık etkileşimleri yakalamak için genel görelilik fiziğini birleştirerek, kara deliklerin kavisli uzay zamanındaki mıknatıslanmış plazmanın davranışını simüle eden bir hesaplama çerçevesi olarak çalışır. Çerçeveyi kullanarak, araştırmacılar manyetik alanların farklı hızlarda dönen kara deliklerle nasıl etkileşime girdiğini gözlemlediler.

“Amaç, manyetik akı dişliliğinin ne kadar olduğunu görmekti [permeating] Kara delik enerji çıkarmayı ve jetlerin oluşumuna yol açıp açmadığını etkiler ”diyor Dhang.

Simülasyonlar ince, mıknatıslanmış biriktirme disklerini modelledi ve kara deliğin çevresine ne kadar enerji aktarıldığını inceledi. Bu enerji ekstraksiyonunun verimliliğini inceleyerek, ekip jetlerle çeşitli kara delik dönüşleri ve manyetik konfigürasyonlar belirledi.

BZ gücünün tezahürü

Simülasyonlarından, ekip, kara deliğin dönüşüne bağlı olarak, BZ işlemi boyunca çıkarılan enerjinin% 10 ila% 70’inin jetlere yönlendirildiğini buldu.

Dhang, “Spin ne kadar yüksek olursa, kara delik o kadar fazla enerji bırakabilir.”

Ancak, tüm enerji jetlere girmedi; Bazıları diske geri emildi veya ısı olarak dağıldı.

Simülasyonlar fazla enerjinin nereye gittiğini belirleyemese de, Dhang, jetlerin genellikle kuasarlar gibi aktif galaktik çekirdek sistemlerinde bulunduğu için jetlerin nasıl oluştuğunu daha iyi anlamak için bunu daha fazla incelemeyi planlıyor.

Araştırmacılar, modellerinden, güçlü manyetik alanların diskin radyasyon verimliliğini artırdığını ve daha parlak hale getirdiğini buldular. Bu ekstra parlaklık, bazı kara deliklerin neden teorik modellerin öngördüğünden çok daha aydınlık göründüğünü açıklayabilir.

Dhang, “Kara deliğe yakın kullanılmayan enerji diski ısıtabilir ve bir korona katkıda bulunabilir.”

Yoğun X-ışınları yayan kara deliği çevreleyen bir sıcak gaz bölgesi olan Corona, bu sistemlerden gözlemlediğimiz ışığı şekillendirmek için çok önemlidir, ancak kesin oluşum süreci belirsizliğini korumaktadır.

Araştırmacılar, bir kara delik korona yapmanın dinamiklerini anlamak için daha fazla simülasyon kullanmayı umuyorlar.