Süper bilgisayar simülasyonları kara deliklerden gelen X-ışını radyasyonuna açıklama getiriyor

Helsinki Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, 1970’lerden beri sürdürülen bir şeyi başardılar: Kara delik çevrelerinden gelen X-ışını radyasyonunu açıklamak. Radyasyon, manyetik alanların ve türbülanslı plazma gazının kaotik hareketlerinin birleşik etkisinden kaynaklanır.

Helsinki Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, ayrıntılı süper bilgisayar simülasyonları kullanarak kara deliklerin etrafındaki radyasyon, plazma ve manyetik alanlar arasındaki etkileşimleri modellediler. Manyetik alanların neden olduğu kaotik hareketlerin veya türbülansın yerel plazmayı ısıttığı ve radyasyon yaymasına neden olduğu bulundu.

Çalışma şu şekildeydi: yayınlandı içinde Doğa İletişimleriÇalışmada kullanılan simülasyon, radyasyon ve plazma arasındaki tüm önemli kuantum etkileşimlerini içeren ilk plazma fiziği modelidir.

Akrezyon disklerinden gelen X-ışını radyasyonuna odaklanın

Bir kara delik, büyük bir yıldızın o kadar yoğun bir kütle konsantrasyonuna çökmesiyle oluşur ki, kütle çekimi ışığın bile etki alanından kaçmasını engeller. Bu nedenle, doğrudan gözlem yerine, kara delikler yalnızca çevre üzerindeki dolaylı etkileriyle gözlemlenebilir.

Gözlemlenen kara deliklerin çoğu, bir ikili yıldız sistemi oluşturdukları bir yoldaş yıldıza sahiptir. Bir ikili sistemde, iki nesne birbirinin yörüngesinde döner ve yoldaş yıldızın maddesi yavaşça kara deliğe doğru sarmal bir şekilde ilerler. Bu yavaşça akan gaz akışı, genellikle kara deliğin etrafında bir yığılma diski, parlak, gözlemlenebilir bir X-ışınları kaynağı oluşturur.

1970’lerden beri, kara deliklerin etrafındaki birikim akışlarından gelen radyasyonu modelleme girişimleri yapıldı. O zamanlar, X ışınlarının, güneşin çevresinin güneş parlamaları yoluyla manyetik aktivitesi tarafından ısıtılmasına benzer şekilde, yerel gaz ve manyetik alanların etkileşimi yoluyla üretildiği düşünülüyordu.

Helsinki Üniversitesi’nde, tam da bu tür aşırı plazmaların modellenmesi konusunda uzmanlaşmış Hesaplamalı Plazma Astrofiziği araştırma grubunun başında bulunan Doçent Joonas Nättilä, “Kara deliklerin birikim disklerindeki parlamalar, güneş parlamalarının aşırı versiyonlarına benziyor” diyor.

Radyasyon-plazma etkileşimi

Simülasyonlar, kara deliklerin etrafındaki türbülansın o kadar güçlü olduğunu, hatta kuantum etkilerinin bile plazma dinamiği için önemli hale geldiğini gösterdi.

Elektron-pozitron plazması ve fotonların modellenmiş karışımında, yerel X-ışını radyasyonu elektronlara ve pozitronlara dönüşebilir ve bunlar temas ettiğinde tekrar radyasyona dönüşerek yok olabilir.

Nättilä, elektronların ve pozitronların, birbirlerine karşı antipartiküller olarak, genellikle aynı yerde oluşmadıklarını açıklar. Ancak, kara deliklerin aşırı enerjik çevreleri bunu bile mümkün kılar. Genel olarak, radyasyon plazmayla da etkileşime girmez. Ancak, fotonlar kara deliklerin etrafında o kadar enerjiktir ki, etkileşimleri plazma için de önemlidir.

Nättilä, “Günlük yaşamda, maddenin aniden son derece parlak ışığın yerine belirdiği bu tür kuantum olayları elbette görülmüyor, ancak kara deliklerin yakınında bunlar kritik hale geliyor” diyor.

“Doğada meydana gelen tüm kuantum olaylarını araştırmak ve simülasyonlara eklemek yıllarımızı aldı, ama sonuçta buna değdi” diye ekliyor.

Radyasyonun kökenlerine dair doğru bir resim

Çalışma, türbülanslı plazmanın doğal olarak birikim disklerinden gözlemlenen X-ışını radyasyonu türünü ürettiğini gösterdi. Simülasyon ayrıca, ilk kez, kara deliklerin etrafındaki plazmanın, dış radyasyon alanına bağlı olarak iki ayrı denge durumunda olabileceğini görmeyi mümkün kıldı. Bir durumda plazma şeffaf ve soğukken, diğerinde opak ve sıcaktır.

Nättilä, “Kara delik birikim disklerinin X-ışını gözlemleri, yumuşak ve sert durumlar arasında tam olarak aynı türde bir değişim gösteriyor” diyor.