20.07.2018
PL EN
09.02.2018 aktualizacja 16.02.2018
Ludwika Tomala
Ludwika Tomala

Wokół czarnych dziur musi wiać!

Wizja artystyczna silnego wiatru zaburzającego zewnętrzne obszary dysku z materii otaczającej czarną dziurę. Materia dysku (kolor żółty) jest najpierw wyciągana z zewnętrznych warstw pobliskiej gwiazd. Czarna dziura o masie gwiazdowej znajduje się w centrum dysku o rozmiarach 5 mln km. Pochłania ona materię wtedy i tylko wtedy gdy dociera ona do centralnych części dysku, o rozmiarach ok. 30 km. (źródło: NASA/Swift/A. Simmonet , Sonoma State University) Wizja artystyczna silnego wiatru zaburzającego zewnętrzne obszary dysku z materii otaczającej czarną dziurę. Materia dysku (kolor żółty) jest najpierw wyciągana z zewnętrznych warstw pobliskiej gwiazd. Czarna dziura o masie gwiazdowej znajduje się w centrum dysku o rozmiarach 5 mln km. Pochłania ona materię wtedy i tylko wtedy gdy dociera ona do centralnych części dysku, o rozmiarach ok. 30 km. (źródło: NASA/Swift/A. Simmonet , Sonoma State University)

Co jakiś czas w materii wokół czarnych dziur dochodzi do wybuchów. Naukowcy pokazali, że podczas trwania każdego takiego wybuchu muszą występować wiatry. Gdyby nie one, materia spadałaby do czarnych dziur znacznie wolniej, niż się obserwuje.

"Wokół czarnych dziur tworzą się tzw. dyski akrecyjne. To płaskie struktury, gdzie zbiera się materia krążąca wokół centralnego ciała" - mówi w rozmowie z PAP prof. Jean-Pierre Lasota z Centrum Astronomicznego Mikołaja Kopernika PAN. Dyskami tymi często wstrząsają wybuchy. Badacze z ośrodków w Kanadzie, Francji i Polsce pokazali, że przez cały czas takiego wybuchu (a może on trwać nawet miesiącami) z dysku wieje silny wiatr, wydmuchując z niego materię. Badania Bailey Tetarenko, doktorantki z University of Alberta w Kanadzie i zespołu jej współpracowników ukazały się w "Nature".

ŚWIAT PEŁEN DYSKÓW

Prof. Lasota, współautor badania, w rozmowie z PAP wyjaśnia, że dyski akrecyjne we Wszechświecie występują bardzo często - powstają w centrach galaktyk, wokół rodzących się gwiazd, wokół czarnych dziur i gwiazd neutronowych i wokół martwych gwiazd zwanych białymi karłami. Badania opublikowane w "Nature" pokazały jednak coś, co astronomów zaskoczyło. Otóż w dyskach wokół czarnych dziur występują mechanizmy związane z opadaniem materii nie obserwowane w żadnych innych dyskach akrecyjnych. A wydawało się, że wszystkie one działają tak samo.

JAK UPADAĆ, TO DLACZEGO NIE Z HUKIEM?

Materia w dyskach akrecyjnych wcale nie składa się z zimnych okruchów skalnych. Między czastkami powstają wiry i pojawia się tam coś w rodzaju tarcia. "Kiedy to tarcie za mocno grzeje, a materia za słabo się studzi, w dysku dochodzi do wybuchu" - opowiada astronom. Wybuch rozprzestrzenia się w całym dysku i w przypadku otoczenia czarnych dziur może trwać miesiącami. Podczas takiego wybuchu materia z zewnętrznych części dysków zaczyna spadać do czarnej dziury wydzielając przedtem olbrzymie ilości energii.

Podczas takich eksplozji pojawia się promieniowanie rentgenowskie, które mogą zarejestrować satelitarne obserwatoria kosmiczne. Autorzy publikacji w "Nature" w ramach swoich badań analizowali tego typu dane pochodzące z pięciu obserwatoriów.

"Pokazaliśmy, że w czasie takiego wybuchu w dysku wokół czarnej dziury muszą występować wiatry. I faktycznie one występują przez cały czas trwania wybuchu" - opowiada naukowiec z CAMK PAN.

ODBIERZ TEN MOMENT PĘDU

"Materia w dysku akrecyjnym nie krąży wiecznie po tych samych orbitach. Coś >>zmusza<< ciała, aby opadały" - mówi astronom. I dodaje, że jeśli ciało zmienia swoją orbitę, zmienia się też jego moment pędu. "Moment pędu mierzy ilość obrotów danego ciała" - podsumowuje prof. Lasota.

To właśnie odpowiedni moment pędu "trzyma" Ziemię na jej orbicie. Gdyby nasza planeta straciła swój moment pędu - znacznie wyhamowała w swoim ruchu wokół Słońca, nie byłoby wyjścia. Musiałaby spaść na swoją gwiazdę. Co by się stało z hamującą Ziemią, można sprawdzić dzięki symulacji - zmniejszając prędkość Ziemi (velocity).

 

Na szczęście nie mamy się o co martwić, bo Ziemia nie zatrzyma się ot tak, po prostu. Coś musiałoby od niej odebrać ten moment pędu. "Całkowity moment pędu musi być w układzie zachowany, ale może być przenoszony z miejsca na miejsce" - zwraca uwagę rozmówca PAP.

UPADEK SZYBSZY NIŻ SIĘ SPODZIEWANO?

W dyskach akrecyjnych moment pędu przenoszony jest na zewnątrz przez rodzaj magnetycznej lepkości. Z analiz Bailey Tetarenko wynika, że materia w dyskach akrecyjnych wokół czarnych dziur traci swój moment pędu o wiele, wiele szybciej, niż materia w dyskach akrecyjnych wokół białych karłów podczas wybuchów nowych karłowatych (badanych wcześniej pod tym kątem przez polskich astronomów). A wydawało się, że dysk akrecyjny to dysk akrecyjny - wszędzie powinien działać tak samo. Na szczęście dla astronomów – zauważa prof. Lasota - świat jest bardziej skomplikowany.

Naukowcy zastanawiali się więc, jaki dodatkowy mechanizm wyhamowuje materię w dyskach wokół czarnych dziur. Jedyną odpowiedzią, która pasowała im do równań, był wiatr, który w tym wypadku oznacza materię wyrzucaną w przestrzeń (mniej więcej tak, jak choćby wiatr słoneczny).

MOMENT PĘDU, KTÓRY PRZEMIJA Z WIATREM

Istnienie tego wiatru wyjaśniają dwie hipotezy. Pierwsza z nich zakłada, że materia unoszona z silnym wiatrem zabiera moment pędu z dysku akrecyjnego. Przez to wybuchająca materia szybciej wciągana jest do czarnej dziury.

Druga z hipotez ma związek z istnieniem pola magnetycznego oraz z faktem, że wciągana do dysku wokół czarnej dziury materia, pochodząca z gwiazdy towarzyszącej czarnej dziurze, może być silnie namagnesowana. Obecność silnego pola magnetycznego zwiększa zaś wydajność procesu odbierania momentu pędu z materii w dysku akrecyjnym. Pole magnetyczne działa więc jak hamulec, przez który materia spada w kierunku czarnej dziury. Cały ten proces w sposób nieunikniony również musi się wiązać z powstawaniem wiatru.

"Zjawisko wywiewania materii z dysku akrecyjnego może mieć inne skutki. Wiatr jest silny i szybki. Być może jest on w stanie powstrzymać upadek części materii do centrum układu" - komentuje prof. Lasota.

Jak dodaje, występowanie takich wiatrów ma szczególne znaczenie wokół czarnych dziur w centrach galaktyk. Wiatr ten może regulować ilość materii, która na czarną dziurę spada. Ale czy są to są wiatry podobne do tych odkrytych przez autorów pracy w "Nature", tego jeszcze nie wiadomo.

PAP - Nauka w Polsce

Autor: Ludwika Tomala

Edytor: Anna Ślązak

lt/ zan/

Copyright © Fundacja PAP 2018