Helsingin yliopiston tutkijat onnistuivat selvittämään mustien aukkojen synnyttämän röntgensäteilyn.
Tutkimuksessa selvisi, että säteily syntyy magneettikenttien kaoottisten liikkeiden ja turbulentin plasmakaasun yhteisvaikutuksesta.
Mustien aukkojen ympäristön tuottamaa säteilyä on yritetty mallintaa 1970-luvulta lähtien.
Silloin jo oletettiin, että röntgensäteet muodostuvat paikallisen kaasun ja magneettikenttien vuorovaikutuksesta samaan tapaan kuin Auringon pinta kuumenee siinä ilmenevien plasmakaasun eli varautuneiden hiukkasten roihupurkausten ansiosta.
– Mustien aukkojen kertymäkiekoissa tapahtuvat roihupurkaukset ovat kuin superversioita Auringon roihupurkauksista, kertoo apulaisprofessori Joonas Nättilä.
Hän johtaa Helsingin yliopistossa laskennallisen plasma-astrofysiikan ryhmää, joka on erikoistunut juuri tällaisten äärimmäisten plasmojen mallintamiseen.
Säteily ja plasma vuorovaikutuksessa
Mallinnuksessa selvisi, että mustien aukkojen plasmapurkaukset ovat niin voimakkaita, että niiden materiaan muodostamat sähkövirrat eivät enää käyttäydy tavallisesti vaan niissä ilmenee kvanttisähködynamiikan ilmiöitä.
Mallinnetussa elektroni-positroni-plasman ja fotonien sekoituksessa paikallinen röntgen-säteily saattoi siis muuttua materiaksi ja anti-materiaksi.
Materia ja anti-materia taas pystyivät törmätessään annihiloitumaan takaisin säteilyksi.
Nättilä kuvaa, kuinka elektroni ja positroni ovat toistensa antihiukkasia, joita ei yleensä esiinny samassa paikassa.
Mustien aukkojen ympäristö on kuitenkin hyvin energeettinen, jolloin tämäkin on mahdollista.
Myöskään säteily ei yleensä vuorovaikuta plasman kanssa. Mustien aukkojen ympärillä fotonit ovat niin energeettisiä, että myös niiden vuorovaikutukset ovat tärkeitä plasmalle.
– Arkielämässä tällaisia kvantti-ilmiöitä, joissa materiaa yhtäkkiä ilmestyisi erittäin kirkkaan valon tilalle, ei tietenkään näe, mutta mustien aukkojen lähellä ilmiöistä tulee erittäin tärkeitä, Nättilä kertoo.
– Meillä kesti vuosia tutkia ja lisätä simulaatiohin kaikki luonnossa esiintyvät kvantti-ilmiöt, mutta lopulta se kannatti, hän jatkaa.
Tarkka kuva säteilyn synnystä
Tutkimus osoitti, että turbulentti plasma tuottaa luonnollisesti kertymäkiekossa havaitun kaltaisen röntgensäteilyn.
Simulaatiolla pystyttiin myös ensi kertaa näkemään, että mustien aukkojen ympärillä oleva plasman - eli varattujen hiukkasten ja fotonien eli säteilyn sekoitus - voi olla kahdessa erilaisessa tasapainon tilassa, riippuen ulkoisesta säteilykentästä.
Toisessa tilassa plasma on kylmää ja säteily matalaenergistä, toisessa kuumaa ja suurenergistä.
– Mustien aukkojen kertymäkiekkojen röntgenhavainnoissa esiintyy juuri samanlaisia kylmän ja kuuman tilan vaihteluita. Tutkimus auttoi meitä varmistamaan, että nämä tilanvaihtelut johtuvat juuri näistä kvantti-ilmiöistä, Nättilä tarkentaa.
Tutkimus on julkaistu arvostetussa Nature Communications -lehdessä.
Julkaisussa käytetty simulaatio on ensimmäinen plasmafysikaalinen malli, joka sisältää kaikki luonnossa esiintyvät säteilyn ja plasman kvanttivuorovaikutukset.
Tutkimus on osa Nättilän johtamaa ja Euroopan tiedeneuvoston rahoittamaa, 2.2 miljoonan euron suuruista ERC StG hanketta, jossa pyritään ymmärtämään plasman ja säteilyn vuorovaikutusta.