A Tejútrendszerhez hasonló galaxisok központjában hatalmas fekete lyukak vannak, amelyek időnként felfalják a környező csillagokat. A folyamat elég drámai és összetett: a szupernagy tömegű fekete lyuk felé zuhanó csillag spagettivé nyúlik, és darabokra szakad. Az ezt követő tűzijátékot nevezzük árapály-katasztrófának.

Pillanatkép a szimulációból. (Price et al. 2024)

A The Astrophysical Journal Letters című lapban nemrég megjelent egy tanulmány, amely a legrészletesebb szimulációkat mutatja be arról, hogy ez a folyamat miként zajlik le egy év alatt.

Jack G. Hills és Martin Rees csillagászok először az 1970-es és 80-as évek árapály-katasztrófáival foglalkoztak. Rees elmélete szerint a csillag törmelékének fele a fekete lyukhoz kötve marad, a törmelékdarabok egymáshoz csapódnak, és forró, fényes anyagörvényt, úgynevezett akkréciós korongot hoznak létre. A korong olyan forró lehet, hogy hatalmas mennyiségű röntgensugárzást kell kibocsátania.

Az eddig talált több mint száz árapály-katasztrófa esemény többsége azonban főként a látható tartományban sugároz, nem röntgenben. A törmelékben megfigyelt hőmérséklet mindössze 10 ezer Celsius-fok, akárcsak egy közepesen meleg csillag felszínén, és nem több millió fok, ahogy azt egy szupernagy tömegű fekete lyukat körülvevő forró gáztól várnánk.

Még ennél is különösebb a fekete lyuk körüli izzó anyagfelhő feltételezett mérete: többször nagyobb, mint a Naprendszer, és a fénysebesség néhány százalékával tágulva távolodik a fekete lyuktól. Ha azt nézzük, hogy még egy egymillió naptömegű fekete lyuk is csak kicsivel nagyobb a Napnál, nem csoda, hogy az izzó anyaggömb megfigyelések alapján kikövetkeztetett hatalmas mérete óriási meglepetést okozott.

A kutatók számításai szerint a fekete lyuk környezetét valamilyen módon elrejtette a kitörés során kiszabaduló anyag, szerintük ez magyarázhatja a röntgensugárzás hiányát. Azt azonban ezidáig senki sem tudta megmondani, hogy ez hogyan történik. És itt lépnek be a képbe a szimulációk.

A fekete lyukak épp annyira képesek szépen táplálkozni, mint egy óvodás gyerek. A táplálékcsillag eleinte kompakt, aztán spagettifikálódik: a fekete lyuk extrém árapály-erői hosszú, vékony anyagszállá nyújtják. Miközben a szétszaggatott csillag anyagának felét a fekete lyuk beszippantja, teljesen csak az 1%-át nyeli el. A maradék egyfajta kozmikus „böfögés” során távozik tőle.

Az árapály-erőket bonyolult dolog számítógéppel szimulálni. Newton gravitációs törvényei a szupernagy tömegű fekete lyukak közelében felmondják a szolgálatot, így Einstein általános relativitáselméletének furcsa és egyben csodálatos hatásait kell figyelembe vennünk.

David Liptai kifejlesztett egy „csináld Einstein-módra” szimulációs módszert, amelynek segítségével a kutatócsoport megvizsgálhatta, mi történik, ha gyanútlan csillagokat a legközelebbi fekete lyukba dobálunk. A szimulációt szabadon elérhetővé is tették a kutatók számára.

Spagettifikálódó csillag. Közelítés a csillagnak arra a felére, amely visszatér a fekete lyukba.

Az eredményül kapott szimulációk, amelyek ezekben a videókban is láthatók, első alkalommal mutatják be az egész árapály folyamatot a felszürcsöléstől a böfögésig. Végigkövetik a csillag spagettifikálódását egészen addig, míg a törmelék visszaesik a fekete lyukba, majd egy közelítésben azt, ahogy a folyamat egy tekergő locsolócsővé nem válik. A szimuláció a kezdeti zuhanást követő több mint egy év eseményeit öleli fel.

A szimulációt a legerősebb ausztrál szuperszámítógépeken futtatták le több mint egy év alatt.

A szimuláción távolról láthatjuk a csillagtörmeléket, amelynek nagy része nem jut be a fekete lyukba, hanem a táguló kiáramlásban megszökik.

A kutatók azt találták, hogy az az 1% anyag, amely a fekete lyukba esik, annyi hőt termel, hogy egy rendkívül erős, majdnem gömb alakú kiáramlást képes táplálni. A fekete lyuk nem tudja az egészet befalni, így amit nem nyel el, az elrejti a folyamat központi motorját, és megszökik. A szimulációk sok mindenre választ adnak, mert segítségükkel úgy láthatjuk a történéseket, mintha csak távcsővel néznénk. Kiderül például, hogy helytállóak lehetnek a korábbi elméletek a fekete lyuk elrejtéséről. A folyamat így néz ki:

A korábbi videókon is látott spagettifikáció, mintha optikai teleszkóppal néznénk (ha lenne elég jó teleszkópunk). A forrásban lévő anyagnak látszó, buborékszerű jelenséget a kutatók Eddington-buroknak (Eddington-envelope) nevezik.

Az új szimulációk felfedik, hogy miért néznek ki az árapály-katasztrófák úgy, mintha egy Naprendszer méretű csillag a fénysebesség néhány százalékával tágulna, miközben belülről egy fekete lyuk hajtja. Valójában nevezhetnénk a jelenséget „fekete lyuk-Napnak” is.

Forrás: phys.org