Εδώ και περισσότερο από έναν αιώνα, οι επιστήμονες προσπαθούν να εξηγήσουν το μυστήριο πίσω από το εκθαμβωτικό ρεύμα σωματιδίων που εκτοξεύεται από το κέντρο του γαλαξία M87, στον αστερισμό της Παρθένου. Η φωτεινή αυτή «ουρά», που παρατηρήθηκε για πρώτη φορά το 1918, έμοιαζε να πηγάζει από το τίποτα — μέχρι που η σύγχρονη αστροφυσική αποκάλυψε την αληθινή της πηγή: μια τεραστίων διαστάσεων μαύρη τρύπα, γνωστή ως M87*.
Η M87* είναι μια από τις πιο μαζικές μαύρες τρύπες που έχουν παρατηρηθεί ποτέ, με μάζα περίπου 6,5 δισεκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από αυτή του Ήλιου. Περιστρέφεται με ιλιγγιώδη ταχύτητα γύρω από τον άξονά της, και από αυτή την περιστροφή αντλεί την ενέργεια που τροφοδοτεί έναν τεράστιο πίδακα φορτισμένων σωματιδίων. Ο πίδακας αυτός εκτοξεύεται σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός και εκτείνεται για περισσότερα από 5.000 έτη φωτός στο Διάστημα, σε μια από τις πιο εντυπωσιακές εκδηλώσεις δύναμης στο Σύμπαν.
Αυτά τα φαινόμενα, γνωστά ως «κοσμικοί πίδακες», δεν περιορίζονται μόνο στην M87*, αλλά παρατηρούνται και σε άλλες ενεργές μαύρες τρύπες και θεωρείται ότι παίζουν καθοριστικό ρόλο στην εξέλιξη των γαλαξιών, διαχέοντας ενέργεια και ύλη στο διαστρικό περιβάλλον.
Ένας νέος μηχανισμός ενέργειας αποκαλύπτεται
Μέχρι σήμερα, η επικρατούσα θεωρία εξηγούσε την προέλευση αυτής της ενέργειας μέσω του λεγόμενου μηχανισμού Blandford–Znajek, σύμφωνα με τον οποίο τα ισχυρά μαγνητικά πεδία γύρω από τη μαύρη τρύπα αντλούν ενέργεια από την περιστροφή της. Όμως, μια ομάδα επιστημόνων από το Goethe University Frankfurt έρχεται τώρα να προσθέσει ένα νέο κομμάτι στο παζλ.
Με επικεφαλής τον καθηγητή Luciano Rezzolla, οι ερευνητές ανέπτυξαν έναν πρωτοποριακό κώδικα προσομοίωσης, το Frankfurt Particle-in-Cell (FPIC), ικανό να αναπαράγει με εξαιρετική ακρίβεια τις φυσικές διεργασίες γύρω από μια μαύρη τρύπα. Μέσα από χιλιάδες ώρες υπολογισμών σε υπερυπολογιστές όπως ο “Goethe” της Φρανκφούρτης και ο “Hawk” της Στουτγάρδης, η ομάδα κατάφερε να αποκαλύψει ότι ένας δεύτερος μηχανισμός ενέργειας δρα παράλληλα με τον Blandford–Znajek: η μαγνητική επανασύνδεση.
Όταν τα μαγνητικά πεδία «σπάνε» και απελευθερώνουν ενέργεια
Η μαγνητική επανασύνδεση είναι ένα φαινόμενο κατά το οποίο οι γραμμές ενός μαγνητικού πεδίου σπάνε και επανασυνδέονται, απελευθερώνοντας τεράστια ποσά ενέργειας υπό μορφή θερμότητας, ακτινοβολίας και εκρήξεων πλάσματος. Σύμφωνα με τις προσομοιώσεις, αυτή η διαδικασία συμβαίνει στο ισημερινό επίπεδο της μαύρης τρύπας, εκεί όπου σχηματίζεται μια «αλυσίδα» από ενεργειακές φυσαλίδες πλάσματος, γνωστές ως πλασμοειδή. Τα πλασμοειδή αυτά επιταχύνονται σχεδόν στην ταχύτητα του φωτός, συμβάλλοντας στην παραγωγή του ισχυρού πίδακα σωματιδίων.
Ο Dr. Claudio Meringolo, κύριος δημιουργός του FPIC, εξηγεί ότι η προσομοίωση τέτοιων διεργασιών είναι ζωτικής σημασίας για την κατανόηση των ακραίων συνθηκών κοντά σε μαύρες τρύπες.
Οι περιοχές αυτές κυβερνώνται από την αλληλεπίδραση ισχυρότατων βαρυτικών και μαγνητικών πεδίων. Το να μπορούμε να τις αναπαράγουμε ψηφιακά σημαίνει ότι πλησιάζουμε περισσότερο από ποτέ στο να κατανοήσουμε τον τρόπο με τον οποίο λειτουργεί το σύμπαν στις πιο ακραίες του μορφές.
Δύο δυνάμεις, ένας στόχος: η κατανόηση του σύμπαντος
Τα αποτελέσματα της ομάδας δείχνουν ότι η εξαγωγή ενέργειας από μια μαύρη τρύπα δεν περιορίζεται μόνο στον μηχανισμό Blandford–Znajek. Ο Dr. Filippo Camilloni, μέλος της ερευνητικής ομάδας, επισημαίνει:
Η εργασία μας δείχνει πως η μαγνητική επανασύνδεση παίζει εξίσου σημαντικό ρόλο στην απελευθέρωση της περιστροφικής ενέργειας. Αυτό αλλάζει την εικόνα που είχαμε για το πώς οι μαύρες τρύπες τροφοδοτούν τα πιο ενεργά φαινόμενα του Σύμπαντος.
Ο Luciano Rezzolla προσθέτει ότι η έρευνα αυτή όχι μόνο εξηγεί τη δημιουργία και την ένταση των πίδακων, αλλά και τα εξαιρετικά επίπεδα φωτεινότητας που παρατηρούνται στους ενεργούς γαλαξιακούς πυρήνες.
Μπορούμε πλέον να δείξουμε με σαφήνεια πώς η ενέργεια από μια περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα μετατρέπεται σε κινητική ενέργεια σωματιδίων και εκπομπή ακτινοβολίας.
Η νέα εποχή της αριθμητικής αστροφυσικής
Η επιτυχία της ομάδας του Goethe University Frankfurt δείχνει τη δύναμη των σύγχρονων προσομοιώσεων και της συνεργασίας φυσικής και μαθηματικών. Χάρη στην ανάπτυξη εργαλείων όπως το FPIC, οι επιστήμονες μπορούν πλέον να «κοιτάξουν» μέσα στις πιο απρόσιτες γωνιές του Διαστήματος και να μελετήσουν φαινόμενα που κάποτε θεωρούνταν αδύνατο να παρατηρηθούν.
[via]
