شناسایی منشأ شعله‌های سیاه‌چاله‌ها

به گزارش تی ای، سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم از خودشان نوری ساطع نمی‌کنند اما معروفند که به صورت دوره‌ای شعله‌هایی/شراره‌هایی (flares) را منتشر می‌کنند. این شعله‌ها نیز درست در مکانی خارج از افق رویداد سیاهچاله‌های کلان جرم می‌درخشند.

ستاره شناسان به طور مرتب شعله‌ور شدن سیاهچاله‌ها را رصد می‌کنند اما نحوه و چگونگی وقوع این اتفاق هنوز برای آنهاب مبهم است. شناسایی محل شکل‌گیری این شعله‌ها در ساختار سیاهچاله بسیار دشوار است.

در مطالعات قبلی محققان با استفاده از رایانه‌های قدرتمند تنها توانستند سیستم‌های سیاه‌چاله را با وضوح بسیار پایین شبیه‌سازی کنند تا مکانیسمی را که سبب ایجاد این شعله‌ها می‌شود را مشاهده کنند.

اکنون اخترفیزیکدانان بنیاد سیمونز در مطالعه اخیرشان اظهار کرده‌اند که این معما را حل کرده‌اند. آنها از شبیه سازی‌های رایانه‌ای با قدرت و وضوح بی‌نظیر بالا برای شناسایی مکانیسمی که سبب ایجاد این شعله‌ها می‌شود و به آنها نیرو می‌دهد، استفاده کردند. محققان دریافتند که انرژی آزاد شده در نزدیکی افق رویداد یک سیاهچاله در طول اتصال مجدد خطوط میدان مغناطیسی، به شعله‌ها نیرو می‌بخشد.

شبیه‌سازی‌های جدید نشان می‌دهند که برهم‌کنش بین میدان مغناطیسی و موادی که به درون سیاه‌چاله می‌افتند، باعث فشرده شدن، صاف شدن، شکستن و اتصال مجدد میدان می‌شود. این چرخه در نهایت از انرژی مغناطیسی استفاده می‌کند تا ذرات پلاسمای داغ را با سرعت نزدیک به نور به درون سیاهچاله یا به فضا پرتاب کند. سپس آن ذرات می‌توانند مستقیما بخشی از انرژی جنبشی خود را به صورت فوتون منتقل کنند و به فوتون‌های مجاور انرژی مضاعف بدهند. آن فوتون‌های پرانرژی، شعله‌های مرموز سیاهچاله را تشکیل می‌دهند. در این صورت، موادی که قبلا به آنجا سقوط کرده است، در هنگام شعله‌ور شدن به بیرون پرتاب می‌شود و منطقه اطراف افق رویداد را پاک می‌کند. این پاکسازی می‌تواند به ستاره‌شناسان دیدی بدون مانع از فرآیندهای معمولا مبهم که خارج از افق رویداد رخ می‌دهد، ارائه دهد.

بارت ریپردا(Bart Ripperda)، نویسنده ارشد این مطالعه گفت: فرآیند اساسی اتصال مجدد خطوط میدان مغناطیسی در نزدیکی افق رویداد می‌تواند از انرژی مغناطیسی مَگنِتوسفِر سیاهچاله استفاده کند تا انرژی شعله‌های سریع و درخشان را تامین کند. اینجا واقعا جایی است که ما فیزیک پلاسما را با اخترفیزیک مرتبط می‌کنیم.

شبیه‌سازی‌ که اخترفیزیک‌دانان طی این مطالعه کردند از بالاترین وضوح شبیه‌سازی پیرامون سیاه‌چاله‌ها برخوردار بوده است. به لطف وضوح بالا، دانشمندان می‌توانند تصویری بی‌سابقه از مکانیسم‌هایی که به شعله‌ور شدن سیاه‌چاله منجر می‌شوند را ببینند. این فرآیند بر روی میدان مغناطیسی سیاهچاله که دارای خطوط میدان مغناطیسی است که از افق رویداد سیاهچاله بیرون می‌آیند، جت را تشکیل می‌دهند و به قرص برافزایشی متصل می‌شوند، متمرکز است.

یک قرص برافزایشی یک ساختار دیسک مانند از ماده است که به شکل حلقوی به دور یک جسم خاص می‌چرخد. این جسم می‌تواند یک ستاره جوان، یک کوتوله سفید، یک ستاره نوترونی یا یک سیاهچاله باشد. این چرخش باعث ایجاد گرما و تابش می‌شود.

محققان طی این مطالعه همچنین مشاهده کردند که انرژی میدان مغناطیسی پس از شعله‌ور شدن سیاهچاله برای مدتی کاهش می‌یابد و سیستم دوباره تنظیم می‌شود. سپس با گذشت زمان، روند دوباره آغاز می‌شود. این روند و مکانیسم چرخه‌ای نشان می‌دهد که چرا سیاه‌چاله‌ها در فواصل زمانی مختلفی، شعله‌ها را ساطع می‌کنند.

ریپردا گفت: مشاهدات تلسکوپ فضایی جیمز وب که اخیرا به فضا پرتاب شده، همراه با تلسکوپ افق رویداد می‌تواند تایید کند که آیا فرآیندی که در شبیه‌سازی‌های جدید مشاهده می‌شود واقعا اتفاق می‌افتد یا خیر. 

تلسکوپ فضایی "جیمز وب" چهارم دی ماه سوار بر موشک آریان ۵ به فضا پرتاب شد تا نسل جدیدی از مطالعات فضایی را رقم بزند. این تلسکوپ ۱۰ میلیارد دلاری در روز دوشنبه ۲۴ ژانویه(چهارم بهمن ماه ۱۴۰۰)، به مدار مورد نظر خود در نقطه لاگرانژ ۲ رسید. وب باید عمیق‌تر از پیش کیهان را رصد کند و کهکشان‌هایی را که پس از بیگ‌بنگ شکل گرفتند، شناسایی کند. شناسایی این کهکشان‌ها به دلیل دور دست بودن و نور کم برای هابل چندان امکانپذیر نیست. جیمز وب ۱۰۰ برابر قدرتمندتر از هابل است. همچنین وب از نور فروسرخ استفاده می‌کند و دارای طول موج‌هایی است که می‌تواند از میان ابرهای غباری را که ممکن است از دید هابل که به نور مرئی متکی جا مانده باشد نیز گذر کند.