Új szuperszámítógépes szimulációk fedik fel, milyen utat tesz meg a gáz, miközben belép egy galaxisba, majd az abban található fekete lyukba.

Pillanatkép az új szimulációból, amelyen egy örvénylő korong által körülvett szupernagy tömegű fekete lyuk látható. Ez az akkréciós korong eteti a központban látható fekete lyukat. (Caltech / Philip Hopkins kutatócsoportja)

A gyorsan növekvő, szupernagy tömegű fekete lyukakat vastag, bolyhos anyagkorong veszi körül, ami jól látható az új szuperszámítógépes szimulációkon. A mágneses terek által irányított korongok évente több tíz naptömegnyi gázzal is táplálhatják a fekete lyukakat – ez elég nagy arány ahhoz, hogy fennmaradjon a turbulencia, és hogy ne alakulhassanak ki csillagok a beáramló gázban.

Szinte az összes galaxis központjában van egy szupernagy tömegű fekete lyuk. Ha a fekete lyuk nagy mennyiségű anyagot kebelez be, a galaxismag fényesen ragyog, és kvazárnak nevezzük. Ismert tény, hogy a kvazárokat szupernagy tömegű fekete lyukak akkréciója táplálja, de a folyamat részletei még homályosak.

A korábbi számítógépes szimulációk a segítségünkre lehetnek ennek feltárásában, de azokkal más-más léptéket vizsgálhatunk. A nagyobb léptékű, főként a gravitációt figyelembe vevő kozmológiai szimulációk megmutatják a galaxisok kialakulását, kölcsönhatásait és a galaxisközi gáz felhalmozódását. Más, sokkal kisebb léptékű szimulációk az egyes csillagok kialakulását követik nyomon, számolva az összes fizikai tényezővel, így például a mágneses terek szerepével.

Philip Hopkins (Caltech) asztrofizikus kutatócsoportja egy 12 nagyságrendnyi méretskálát átfogó szuperszimulációban egyesítette a nagy és a kis szimulációkat. Ez lehetővé teszi a kutatóknak, hogy végigkövessék az ősi gáz mozgását az újszülött Univerzumtól egészen a növekvő, szupernagy tömegű fekete lyukakat tápláló gázkorongokig.

„Nagy űr tátongott a két szimuláció között.” – mondta Hopkins. „Most először hidaltuk át ezt az űrt.”

„Sosem láttam még szimulációt ilyen nagy dinamikatartománnyal.” – mondta Joop Schaye (Leiden Observatory), a legkorszerűbb kozmológiai szimuláció, az EAGLE kutatásvezetője. „Ez olyan, mintha az egész Naprendszerről készítettek volna modellt, de olyan részletekig, hogy a víz áthalad egyetlen lefolyón.” Bár azt elismeri, hogy az új szimuláció kis léptékű része csak egyetlen szupernagy tömegű fekete lyuk akkréciójára közelít rá, és „csupán” 10 ezer évig követi annak fejlődését, de a kozmológiai rész több milliárd évet ölel fel. „De tényleg nagyon szép.”

Ahogy a kutatók a The Open Journal of Astrophysics hasábjain megjelent összefogó tanulmányukban írják, a mágneses terek sokkal fontosabb szerepet játszanak az akkréciós korongok kialakulásában és formálásában, mint korábban hittük. A csillagászok úgy gondolták, hogy a sűrű korongok olyan hatékonyan hűlnek le, vékonyodnak el és válnak lapossá, mint a Szaturnusz gyűrűi. Az új szimulációk azonban azt mutatják, hogy a sűrű gázban uralkodó mágneses nyomás több ezerszer erősebb lehet, mint a gáznyomás.

A nagy mágneses nyomás nem engedi, hogy a korong elvékonyodjon, ehelyett vastagon és bolyhosan tartja. Az új csillagok kialakulását is gátolja, ezáltal lelassítja a fekete lyuk akkrécióját. Ennek eredményeképpen a fekete lyuk akár több ezer éven át is folytathatja az évi tíz naptömegnyi gáz bekebelezését. Ez megmagyarázhatja a nagy tömegű fekete lyukak gyors növekedését a korai Világegyetemben.

„A tanulmány szerint a sűrű akkréciós korongok stabilak lehetnek, és a szupernagy tömegű fekete lyukak hatékonyan táplálkozhatnak.” – mondja Jordy Davelaar (Flatiron Institute). Az általa végzett számítógépes szimulációk szerint a galaxisunk központjában és az M87 elliptikus galaxisban lévő fekete lyukakat, amelyekről az Eseményhorizont Távcső (EHT) készített felvételeket, bolyhos gázkorong veszi körül.

Davelaar azonban megjegyzi, hogy a közelünkben lévő fekete lyukak viszonylag „csendesek”, évente csupán százezer és százmillió naptömeg közötti anyagot kebeleznek be. „Az akkréciós korongjuk sokkal kisebb sűrűségű és magasabb hőmérsékletű. Vastagságuk a gáznyomásnak köszönhető, nem a mágneses nyomásnak.” – mondja.

Pillanatkép a szimuláció korábbi, nagyobb léptéket mutató részéből, ahol összeolvadó galaxisok szövevényét látjuk. (Caltech / Philip Hopkins kutatócsoportja)

Rien van de Weijgaert (University of Groningen) kozmológus szerint Hopkinsék szimulációja „egy számítástechnikai műalkotás”. Ugyanakkor „különböző fizikai folyamatok patchwork-takarója, így nehéz megmondani, hogy mennyire realisztikus.” A kutatóknak ráadásul még számos elemet „kézzel” kellett beilleszteniük, így például az első fekete lyukakat és mágneses tereket, amelyek a gáz összenyomásával egyre erősödnek.

„Nem vezethetünk le mindent csupán axiómákból.” – mondja van de Weijgaert. „Az egyetlen számítógép, amely erre képes, az Univerzum maga.”

A kutatók a tanulmányban elismerik munkájuk hiányosságait is. Például azt, hogy a szimuláció még nem tartalmazza azt, ahogyan az akkréciós korong központi részei anyagot és energiát löknek vissza a környezetükbe, akár erőteljes plazmanyalábok, akár intenzív sugárzás révén.

„Talán az a legnagyobb ellentmondás, hogy – a szimulációk költségei miatt – csak egy esetet vizsgáltunk, így nem egyértelmű, hogy a következtetéseink mennyire általánosíthatók a különböző feltételekre, például egy sokkal alacsonyabb akkréciós rátára, nem beszélve az olyan rendkívül kis akkréciós rátájú rendszerekről, mint amilyen az M87 vagy a Sgr A*.” – írják a kutatók.

Schaye egyetért azzal, hogy még sok munka áll a kutatók előtt. „Valahol azonban el kell kezdeni, és ez nagyon lenyűgöző munka.” – mondja.

Forrás: Sky & Telescope