Mustien aukkojen säteily sai selityksen

Helsingin yliopiston tutkijat mallinsivat erittäin tarkoilla supertietokonesimulaatioilla, miten säteily, plasma ja magneettikentät mustan aukon ympärillä vuorovaikuttavat. Selvisi, että magneettikenttien aiheuttamat kaoottiset liikkeet— turbulenssi—kuumentavat paikallista plasmaa ja saavat sen säteilemään.

Kohteena kertymäkiekkojen röntgensäteily

Musta aukko syntyy, kun suuri tähti luhistuu niin tiheäksi massan keskittymäksi, ettei sen painovoima päästä edes valoa pakenemaan sen vaikutuspiiristä. Mustia aukkoja ei siksi voi havaita suoraan vaan vasta sen vaikutuksen perusteella, mikä niillä on ympäristöönsä.

Useimmilla havaituilla mustilla aukoilla on kumppanitähti, jonka kanssa ne muodostavat kaksoistähtijärjestelmän – kokonaisuuden, jossa nämä kaksi kohdetta kiertävät toisiaan. Luhistumisen jälkeen kumppanitähden materia siirtyy hitaasti kiertyen mustaan aukkoon. Tämä hitaasti valuva kaasuvirta muodostaa usein mustan aukon ympärille niin sanotun kertymäkiekon, joka on kirkas, havaittava röntgensäteilyn lähde.

Mustien aukkojen ympäristön tuottamaa säteilyä on yritetty mallintaa 1970-luvulta lähtien. Oletus oli jo tuolloin, että röntgensäteet muodostuvat paikallisen kaasun ja magneettikenttien vuorovaikutuksesta samaan tapaan kuin Auringon pinta kuumenee siinä ilmenevien plasmakaasun eli varautuneiden hiukkasten roihupurkausten ansiosta.

– Mustien aukkojen kertymäkiekoissa tapahtuvat roihupurkaukset ovat kuin superversioita Auringon roihupurkauksista, kertoo apulaisprofessori Joonas Nättilä. Hän johtaa Helsingin yliopistossa laskennallisen plasma-astrofysiikan ryhmää, joka on erikoistunut juuri tällaisten äärimmäisten plasmojen mallintamiseen.

Säteily ja plasma vuorovaikutuksessa

Mallinnuksessa selvisi, että mustien aukkojen plasmapurkaukset ovat niin voimakkaita, että niiden materiaan muodostamat sähkövirrat eivät enää käyttäydy tavallisesti vaan niissä ilmenee kvanttisähködynamiikan ilmiöitä.

Mallinnetussa elektroni-positroni-plasman ja fotonien sekoituksessa paikallinen röntgen-säteily saattoi siis muuttua materiaksi ja anti-materiaksi. Materia ja anti-materia taas pystyivät törmätessään annihiloitumaan takaisin säteilyksi.

Nättilä kuvaa, kuinka elektroni ja positroni ovat toistensa antihiukkasia, joita ei yleensä esiinny samassa paikassa, mutta mustien aukkojen ympäristö on hyvin energeettinen, jolloin tämäkin on mahdollista. Myöskään säteily ei yleensä vuorovaikuta plasman kanssa. Mustien aukkojen ympärillä fotonit ovat kuitenkin niin energeettisiä, että myös niiden vuorovaikutukset ovat tärkeitä plasmalle.

– Arkielämässä tällaisia kvantti-ilmiöitä, joissa materiaa yhtäkkiä ilmestyisi erittäin kirkkaan valon tilalle, ei tietenkään näe, mutta mustien aukkojen lähellä ilmiöistä tulee erittäin tärkeitä, Nättilä kertoo.

– Meillä kesti vuosia tutkia ja lisätä simulaatiohin kaikki luonnossa esiintyvät kvantti-ilmiöt, mutta lopulta se kannatti, hän jatkaa.

Tarkka kuva säteilyn synnystä

Tutkimus osoitti, että turbulentti plasma tuottaa luonnollisesti kertymäkiekossa havaitun kaltaisen röntgensäteilyn. Simulaatiolla pystyttiin myös ensi kertaa näkemään, että mustien aukkojen ympärillä oleva plasman - eli varattujen hiukkasten ja fotonien eli säteilyn sekoitus - voi olla kahdessa erilaisessa tasapainon tilassa, riippuen ulkoisesta säteilykentästä. Toisessa tilassa plasma on kylmää ja säteily matalaenergistä, toisessa kuumaa ja suurenergistä.

– Mustien aukkojen kertymäkiekkojen röntgenhavainnoissa esiintyy juuri samanlaisia kylmän ja kuuman tilan vaihteluita. Tutkimus auttoi meitä varmistamaan, että nämä tilanvaihtelut johtuvat juuri näistä kvantti-ilmiöistä, Nättilä tarkentaa.

Tutkimus on julkaistu arvostetussa Nature Communications -lehdessä. Julkaisussa käytetty simulaatio on ensimmäinen plasmafysikaalinen malli, joka sisältää kaikki luonnossa esiintyvät säteilyn ja plasman kvanttivuorovaikutukset. Tutkimus on osa Nättilän johtamaa ja Euroopan tiedeneuvoston rahoittamaa, 2.2 miljoonan euron suuruista ERC StG hanketta, jossa pyritään ymmärtämään plasman ja säteilyn vuorovaikutusta.

Alkuperäinen artikkeli: Nättilä, J. Radiative plasma simulations of black hole accretion flow coronae in the hard and soft states. Nat Commun, 15, 7026 (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-51257-1

Lisätietoja:

Apulaisprofessori Joonas Nättilä
Helsingin yliopisto
joonas.nattila@helsinki.fi
tel. +358 45 35 77 992
https://natj.github.io/