Prije točno jednog stoljeća, mnogo prije nego što je suradnja Event Horizon Telescope 2019. objavila prvu fotografiju crne rupe u središtu galaksije M87, američki astronom Heber Curtis primijetio je neobičan mlaz koji je izlazio iz jezgre te galaksije. Danas znamo da je riječ o mlazu crne rupe M87*. Takve mlazove isijavaju i druge crne rupe, a tim teoretskih astrofizičara sa Sveučilišta Goethe u Frankfurtu razvio je numerički kod koji s iznimnom preciznošću opisuje kako crne rupe pretvaraju svoju rotacijsku energiju u ultrabrze mlazove čestica.
Crna rupa mase šest i pol milijardi Sunca
Gotovo dva stoljeća bilo je nepoznato da je svijetla točka u zviježđu Djevice, koju je Charles Messier 1781. opisao kao “87: maglica bez zvijezda”, zapravo golema galaksija. Stoga se isprva nije znalo objasniti mlaz koji je 1918. otkriven u središtu te “maglice”.
U srcu divovske galaksije M87 nalazi se crna rupa M87* mase oko šest i pol milijardi Sunčevih masa, koja se iznimno brzo okreće oko svoje osi. Iskorištavajući energiju te rotacije, M87* stvara mlaz čestica koji izbacuje gotovo brzinom svjetlosti i koji se proteže nevjerojatnih 5000 svjetlosnih godina. Takve mlazove stvaraju i druge rotirajuće crne rupe. Oni raspršuju energiju i tvar kroz svemir te mogu utjecati na razvoj cijelih galaksija.
Novi kod otkriva dodatni mehanizam
TIm astrofizičara sa Sveučilišta Goethe u Frankfurtu, predvođen profesorom Lucianom Rezzollom, razvio je numerički kod nazvan Frankfurt particle-in-cell code for black hole spacetimes (FPIC), koji s velikom točnošću opisuje procese pretvaranja rotacijske energije crne rupe u mlaz čestica.
Rezultati su pokazali da uz poznati Blandford–Znajekov mehanizam, koji se do sada smatrao glavnim načinom izvlačenja energije rotacije crne rupe pomoću snažnih magnetskih polja, postoji još jedan proces: takozvana magnetska rekonekcija. U toj pojavi magnetske silnice pucaju i ponovno se spajaju, pri čemu se magnetska energija pretvara u toplinu, zračenje i izboje plazme.
FPIC kod simulirao je ponašanje velikog broja nabijenih čestica i ekstremnih elektromagnetskih polja pod utjecajem snažne gravitacije crne rupe. Glavni autor koda, dr. Claudio Meringolo, objašnjava: “Simulacija takvih procesa ključna je za razumijevanje složene dinamike relativističkih plazmi u zakrivljenom prostorno-vremenskom okruženju oko kompaktnih objekata, gdje se isprepliću ekstremna gravitacijska i magnetska polja.”
Milijuni sati računalnih simulacija
Ova su istraživanja zahtijevala iznimno opsežne superračunalne simulacije koje su potrošile milijune procesorskih sati na frankfurtskom superračunalu Goethe i stuttgartskom Hawku. Takva računalna snaga bila je nužna kako bi se riješile Maxwellove jednadžbe i jednadžbe gibanja elektrona i pozitrona prema Einsteinovoj teoriji opće relativnosti.
Izračuni su pokazali da u ekvatorijalnoj ravnini crne rupe dolazi do intenzivne magnetske rekonekcije koja stvara lanac plazmoida, zgušnjenja plazme u energetskim nakupinama što se gibaju gotovo brzinom svjetlosti. Prema riječima znanstvenika, taj proces prati nastanak čestica s negativnom energijom koje mogu pokretati iznimno snažne astrofizičke pojave poput mlazova i izboja plazme.
Novi uvid u izvor energije galaktičkih jezgri
“Naši rezultati otvaraju zanimljivu mogućnost da Blandford–Znajekov mehanizam nije jedini proces koji može izvlačiti rotacijsku energiju crne rupe,” kaže dr. Filippo Camilloni, član tima koji je radio na projektu FPIC. “Pokazali smo da i magnetska rekonekcija ima važnu ulogu.”
Profesor Rezzolla dodaje: “Naš rad pokazuje kako se energija učinkovito izvlači iz rotirajućih crnih rupa i usmjerava u mlazove. Time možemo objasniti iznimnu svjetlinu aktivnih galaktičkih jezgri i ubrzanje čestica gotovo do brzine svjetlosti.”
Za njega je, kaže, uzbudljivo razumjeti što se događa u blizini crnih rupa pomoću naprednih numeričkih modela. “Još je zadovoljnije kad rezultate tih složenih simulacija možemo objasniti preciznim matematičkim opisom, što smo upravo i postigli u ovom radu.”
Ivan je novinar i autor koji piše o znanosti, svemiru i povijesti. Gostuje kao stručni sugovornik na Science Discovery i History Channelu te piše za Večernji list. Osnivač je Kozmos.hr, prvog hrvatskog portala posvećenog popularizaciji znanosti.
