Финский астрофизик показал, что состояния жесткого и мягкого рентгеновского излучения от аккреционного диска черной дыры возникают в зависимости от скорости инжекции массы в него. Для этого он провел тщательное моделирование на суперкомпьютере, включающее все распространенные процессы квантовой электродинамики. Результаты опубликованы в журнале Nature Communications.
Если у черной дыры есть спутник, например, звезда, то в такой парной системе черная дыра может притянуть к себе вещество своего спутника, и образовать аккреционный диск. Благодаря этому явлению ученые могут непосредственно наблюдать и изучать процессы, происходящие в окрестностях черных дыр. Однако физика самих аккреционных дисков до сих пор полностью не изучена. В основном, физики пытаются создать правдоподобные модели поведения вещества в таких дисках. Но многие вопросы так или иначе оставались открытыми, например, ученые долгое время не могли разобраться, почему рентгеновское излучение аккреционных дисков может испускаться в двух состояниях, мягком и жестком.
Йоонас Няттила (Joonas Nättilä) из Университета Хельсинки объяснил происхождение этих двух состояний. Для этого он провел компьютерное моделирование намагниченной турбулентной плазмы аккреционного диска с самосогласованным включением всех основных процессов квантовой электродинамики. Ученый рассмотрел турбулентную активность вспышек в бесстолкновительной короне аккреционного диска с характерным размером зоны излучения около 30 километров, сопоставимым с размером горизонта событий черной дыры с массой около 20 солнечных. При этом ученый варьировал параметр скорости притока дополнительной массы и энергии в аккреционный диск и наблюдал за процессами рождения рентгеновского излучения в зависимости от этого параметра.
Моделирование показало, что от скорости притока дополнительной массы напрямую зависит какие процессы квантовой электродинамики преобладают и определяют рождение рентгеновских фотонов. Согласно данным астрофизика, при низких значениях этого параметра энергия фотонов растет благодаря турбулентной объемной комптонизации. Это приводит к жесткому спектру излучения. Увеличивая значение скорости притока дополнительной массы и энергии, ученый показал, что при этом происходит охлаждение плазмы аккреционного диска и увеличению количества рождающихся аннигиляционных пар, что уменьшает оптическую прозрачность диска. Эти эффекты приводят к изменению спектра рентгеновского излучения к более мягкому диапазону по энергии.
Физик также сравнил результаты своего моделирования с данными наблюдений за рентгеновским излучением от источника Лебедь Х-1. Результаты оказались в согласии в рамках ошибок с наблюдаемыми спектрами.
Конечно, изучать такие масштабные явления ученым приходится в основном по компьютерным моделям. Впрочем, недавно ученые смогли воссоздать аккреционный диск в лаборатории.