Wetenschappers van Princeton University en het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben een rigoureuze nieuwe methode ontwikkeld voor het modelleren van de accretieschijf die het superzware zwarte gat in het centrum van ons Melkwegstelsel voedt. De krant, online gepubliceerd in december in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven , biedt een broodnodige basis voor simulatie van de betrokken buitengewone processen.

Accretieschijven zijn plasmawolken die ronddraaien en geleidelijk wervelen in massieve lichamen zoals zwarte gaten - intense zwaartekrachtsvelden die worden geproduceerd door sterren die instorten tot een klein deel van hun oorspronkelijke grootte. Deze ingestorte sterren worden begrensd door een "gebeurtenishorizon, " waaruit zelfs geen licht kan ontsnappen. Terwijl accretieschijven naar de waarnemingshorizon stromen, ze voeden enkele van de helderste en meest energetische bronnen van elektromagnetische straling in het universum.

Vier miljoen keer de massa van de zon

Het kolossale zwarte gat in het centrum van de Melkweg - "Boogschutter A*" genoemd omdat het wordt aangetroffen in het sterrenbeeld Boogschutter - heeft een zwaartekracht die vier miljoen keer groter is dan die van onze eigen zon. Maar het accretieschijfplasma dat in deze massa spiraliseert, is "radiatief inefficiënt, " wat betekent dat het veel minder straling afgeeft dan je zou verwachten.

"Dus de vraag is waarom is deze schijf zo stil?" vraagt ​​Matthew Kunz, hoofdauteur van het artikel, assistent-professor astrofysische wetenschappen aan de Princeton University en een natuurkundige bij PPPL. Co-auteurs zijn onder meer James Stone, Princeton hoogleraar astrofysische wetenschappen, en Eliot Quataert, directeur theoretische astrofysica aan de Universiteit van Californië, Berkeley.

Om een ​​methode te ontwikkelen om het antwoord te vinden, de onderzoekers beschouwden de aard van de superhete Sagittarius A* accretieschijf. Zijn plasma is zo heet en verdund dat het botsingsloos is, wat betekent dat de banen van protonen en elektronen in het plasma elkaar zelden kruisen.

Dit gebrek aan collisionaliteit onderscheidt de Sagittarius A* accretieschijf van helderdere en meer stralende schijven die om andere zwarte gaten draaien. De helderdere schijven botsen en kunnen worden gemodelleerd met formules uit de jaren negentig, die het plasma behandelen als een elektrisch geleidende vloeistof. Maar "dergelijke modellen zijn niet geschikt voor accretie op ons superzware zwarte gat, "Kunz zei, omdat ze het proces niet kunnen beschrijven dat ervoor zorgt dat de botsingsloze Sagittarius A*-schijf onstabiel wordt en naar beneden gaat.

Botsingsloze deeltjes traceren

Om het proces voor de Boogschutter A*-schijf te modelleren, het papier vervangt de formules die de beweging van botsingsplasma's behandelen als een macroscopische vloeistof. In plaats daarvan, de auteurs gebruiken een methode die natuurkundigen 'kinetisch' noemen om systematisch de paden van individuele botsingsloze deeltjes te volgen. Deze complexe benadering, uitgevoerd met behulp van de Pegasus-computercode ontwikkeld in Princeton door Kunz, Steen en Xuening Bai, nu docent aan Harvard University, produceerde een reeks vergelijkingen die beter in staat zijn om het gedrag van de schijf te modelleren die rond het superzware zwarte gat draait.

Deze kinetische benadering zou astrofysici kunnen helpen begrijpen waarom het gebied van de accretieschijf rond het Boogschutter A*-gat zo weinig licht uitstraalt. De resultaten zouden ook het begrip van andere belangrijke kwesties kunnen verbeteren, zoals hoe gemagnetiseerde plasma's zich gedragen in extreme omgevingen en hoe magnetische velden kunnen worden versterkt.

Het doel van de nieuwe methode, zei Kunz, "zal zijn om meer voorspellende modellen te produceren van de emissie van aanwas van zwarte gaten in het galactische centrum ter vergelijking met astrofysische waarnemingen." Dergelijke waarnemingen zijn afkomstig van instrumenten zoals het Chandra-röntgenobservatorium, een om de aarde draaiende satelliet die NASA in 1999 lanceerde, en de komende Event Horizon Telescope, een reeks van negen op aarde gebaseerde radiotelescopen in landen over de hele wereld.