En bedre måde at simulere tilvækst af det supermassive sorte hul i midten af ​​Mælkevejen udviklet

Forskere ved Princeton University og US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har udviklet en streng ny metode til modellering af tilvækstskiven, der føder det supermassive sorte hul i centrum af vores Mælkevejsgalakse. Papiret, offentliggjort online i december i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve , giver et tiltrængt grundlag for simulering af de involverede ekstraordinære processer.

Akkretionsskiver er skyer af plasma, der kredser om og gradvist hvirvler ind i massive kroppe såsom sorte huller - intense gravitationsfelter produceret af stjerner, der kollapser til en lille brøkdel af deres oprindelige størrelse. Disse kollapsede stjerner er afgrænset af en "begivenhedshorisont, ", hvorfra ikke engang lys kan undslippe. Når tilvækstskiver strømmer mod begivenhedshorisonter, de driver nogle af de lyseste og mest energiske kilder til elektromagnetisk stråling i universet.

Fire millioner gange solens masse

Det kolossale sorte hul i centrum af Mælkevejen – kaldet "Skytten A*", fordi det findes i stjernebilledet Skytten – har en gravitationsmasse, der er fire millioner gange større end vores egen sol. Alligevel er tilvækstskiveplasmaet, der spiraler ind i denne masse, "strålende ineffektiv, " hvilket betyder, at det udsender meget mindre stråling, end man ville forvente.

"Så spørgsmålet er, hvorfor er denne disk så stille?" spørger Matthew Kunz, hovedforfatter af papiret, assisterende professor i astrofysiske videnskaber ved Princeton University og fysiker ved PPPL. Medforfattere inkluderer James Stone, Princeton professor i astrofysiske videnskaber, og Eliot Quataert, direktør for teoretisk astrofysik ved University of California, Berkeley.

At udvikle en metode til at finde svaret, forskerne overvejede arten af ​​den supervarme Sagittarius A* tilvækstskive. Dets plasma er så varmt og fortyndet, at det er kollisionsfrit, hvilket betyder, at banerne for protoner og elektroner inde i plasmaet sjældent krydser hinanden.

Denne mangel på kollision adskiller Sagittarius A*-akkretionsskiven fra lysere og mere strålingsskiver, der kredser om andre sorte huller. De lysere diske er kollisionsfarlige og kan modelleres efter formler fra 1990'erne, som behandler plasmaet som en elektrisk ledende væske. Men "sådanne modeller er uegnede til at samle sig på vores supermassive sorte hul, "Kunz sagde, da de ikke kan beskrive den proces, der får den kollisionsfrie Sagittarius A*-skive til at vokse ustabil og spiral ned.

Sporing af kollisionsfrie partikler

For at modellere processen for Sagittarius A*-disken, papiret erstatter formlerne, der behandler bevægelsen af ​​kollisionsplasmaer som en makroskopisk væske. I stedet, forfatterne bruger en metode, som fysikere kalder "kinetisk" til systematisk at spore individuelle kollisionsfrie partiklers veje. Denne komplekse tilgang, udført ved hjælp af Pegasus-computerkoden udviklet i Princeton af Kunz, Sten og Xuening Bai, nu underviser ved Harvard University, produceret et sæt ligninger, der er bedre i stand til at modellere opførsel af disken, der kredser om det supermassive sorte hul.

Denne kinetiske tilgang kunne hjælpe astrofysikere til at forstå, hvad der forårsager, at accretion disk-regionen omkring Sagittarius A*-hullet udstråler så lidt lys. Resultater kunne også forbedre forståelsen af ​​andre nøglespørgsmål, såsom hvordan magnetiserede plasmaer opfører sig i ekstreme miljøer, og hvordan magnetiske felter kan forstærkes.

Målet med den nye metode, sagde Kunz, "vil være at producere mere forudsigelige modeller af emissionen fra sorte huls tilvækst i det galaktiske center til sammenligning med astrofysiske observationer." Sådanne observationer kommer fra instrumenter som Chandra røntgenobservatoriet, en satellit i kredsløb om jorden, som NASA opsendte i 1999, og det kommende Event Horizon Telescope, en række af ni jordbaserede radioteleskoper placeret i lande rundt om i verden.