מודל פיזיקלי חדש מאחד תצפיות וסימולציות ומסביר תהליכים מרכזיים בסביבת חורים שחורים — מפליטות סילונים ועד גדילה קיצונית של מסה
אסטרונומים שחוקרים את החור השחור העל-מסיבי M87* גילו אופן חדש שבו המפלצות הקוסמיות האלה משחררים את האנרגיה שלהם.
מ"ערפילית ללא כוכבים" לגלקסיה ענקית
במשך קרוב למאתיים שנים אסטרונומים לא היו בטוחים לגבי טיבו האמיתי של הגוף הבהיר בקבוצת בתולה ששארל מסייה רשם ב-1784 כ"87: ערפילית ללא כוכבים". מה שנראה כמו כתם אור מטושטש התגלה מאוחר יותר כגלקסיה ענקית. כשב-1918 התגלה סילון אור מסתורי שיוצא מהמרכז שלה, למדענים לא היה מושג מה יכול ליצור אותו.
בליבת הגלקסיה המסיבית הזאת, ששמה עכשיו M87, נמצא החור השחור העל-מסיבי M87*, המכיל מסה שגדולה פי שישה וחצי מיליארד בערך ממסת השמש. החור השחור הזה מסתחרר במהירות, והסיבוב שלו מניע זרם של חלקיקים טעונים שנורה החוצה במהירות האור כמעט, ומשתרע כ-5,000 שנות אור לתוך החלל. סילונים דומים נראים סביב חורים שחורים מסתובבים אחרים, ועוזרים לפזר אנרגיה וחומר ברחבי היקום ולעצב את התפתחותן של גלקסיות.
פיצוח הקוד של אנרגיית החורים השחורים
צוות מחקר מאוניברסיטת גתה בפרנקפורט, בראשות פרופ' לוצ'אנו רצולה, פיתח כלי חישובי חדש בשם FPIC. תוכנית ההדמיה הזאת ממדלת במדויק איך חור שחור מסתחרר הופך את האנרגיה הסיבובית שלו לסילון חזק. החוקרים גילו שבנוסף למנגנון בלנדפורד-זנאייק המוכר היטב, שזמן רב נחשב כהסבר איך חורים שחורים מחלצים אנרגיה סיבובית באמצעות שדות מגנטיים, תהליך חשוב נוסף ממלא אף הוא תפקיד: איחוי מגנטי. בתופעה הזאת, קווי שדה מגנטי נשברים ומתאחים, וממירים אנרגיה מגנטית לחום, קרינה ופרצי פלזמה.
באמצעות תוכנית ה-FPIC, הצוות דימה את ההתנהגות של אינספור חלקיקים טעונים ושדות א"מ קיצוניים שמושפעים על ידי הכבידה העזה שסביב חור שחור. ד"ר קלאודיו מרינגולו, המפתח הראשי של התוכנית, הסביר: "הדמיית תהליכים כאלה קריטית להבנת הדינמיקות המורכבות של פלזמות יחסותיות במרחב-זמן המעוקם ליד גופים דחוסים, שנשלטות על ידי יחסי הגומלין בין שדות כבידתיים ומגנטיים קיצוניים".
הרצת ההדמיות האלה הצריכה משאבי מחשוב יוצאי דופן, שהסתכמו במיליוני שעות מעבד במחשב העל "גתה" בפרנקפורט ו"נץ" בשטוטגרט. כוח המחשוב העצום הזה היה נחוץ כדי לפתור את משוואות מקסוול ואת משוואות התנועה של אלקטרונים ופוזיטרונים במסגרת תורת היחסות הכללית של אלברט איינשטיין.
שרשראות פלזמה ואנרגיה שלילית
במישור המשווני של החור השחור, חישובי החוקרים גילו פעילות איחוי עזה, שגורמת ליצירת שרשרת של פלזמואידים – התעבות של פלזמה ב"בועות" אנרגטיות – שנעים במהירות האור כמעט. לדברי המדענים, התהליך הזה מלווה ביצירת חלקיקים עם אנרגיה שלילית שמשמשת להנעת תופעות אסטרופיזיקליות קיצוניות כמו סילונים והתפרצויות פלזמה.
"התוצאות שלנו פותחות את האפשרות המרתקת שמנגנון בלנדפורד-זנאייק הוא לא התהליך האסטרופיזיקלי היחיד שיכול לחלץ אנרגיה סיבובית מחור שחור", אומר ד"ר פיליפו קמיוני מפרויקט FPIC, "אלא גם האיחוי המגנטי תורם".
מאירים את המנועים הבהירות ביקום
"באמצעות המחקר שלנו, אנו יכולים להראות איך אנרגיה מחולצת ביעילות מחורים שחורים מסתחררים ומתועלת לסילונים", אומר רצולה. "זה מאפשר לנו לעזור להסביר את עוצמת ההארה הקיצונית של גרעינים גלקטיים פעילים וגם את ההאצה של חלקיקים למהירות האור כמעט". הוא מוסיף שמאוד מלהיב ומרתק להבין טוב יותר מה קורה ליד חור שחור באמצעות תוכניות נומריות מתוחכמות. "בה בעת, מתגמלת אפילו יותר היכולת להסביר את התוצאות של ההדמיות המורכבות האלה באמצעות טיפול מתמטי מדוקדק – כפי שעשינו במחקר שלנו".
עוד בנושא באתר הידען:
