Mustien aukkojen säteily sai selityksen
Helsingin yliopiston tutkijat onnistuivat siinä, mitä on yritetty jo 70-luvulta lähtien: selittämään mustien aukkojen synnyttämän röntgensäteilyn. Säteily syntyy magneettikenttien kaoottisten liikkeiden ja turbulentin plasmakaasun yhteisvaikutuksesta.
![Mustalla taustalla musta ympyrä, josta lähtee valkeita osittain koukeroisia viivoja. Tarkennuskuvassa kuutio, jonka sisällä kalaparvimaisia juovia.](/data/images/public/3747/70434199/1b9b4438-eac3-4a61-94a6-0c6f01e2fd3f-w_720.jpg)
Helsingin yliopiston tutkijat mallinsivat erittäin tarkoilla supertietokonesimulaatioilla, miten säteily, plasma ja magneettikentät mustan aukon ympärillä vuorovaikuttavat. Selvisi, että magneettikenttien aiheuttamat kaoottiset liikkeet— turbulenssi—kuumentavat paikallista plasmaa ja saavat sen säteilemään.
Kohteena kertymäkiekkojen röntgensäteily
Musta aukko syntyy, kun suuri tähti luhistuu niin tiheäksi massan keskittymäksi, ettei sen painovoima päästä edes valoa pakenemaan sen vaikutuspiiristä. Mustia aukkoja ei siksi voi havaita suoraan vaan vasta sen vaikutuksen perusteella, mikä niillä on ympäristöönsä.
Useimmilla havaituilla mustilla aukoilla on kumppanitähti, jonka kanssa ne muodostavat kaksoistähtijärjestelmän – kokonaisuuden, jossa nämä kaksi kohdetta kiertävät toisiaan. Luhistumisen jälkeen kumppanitähden materia siirtyy hitaasti kiertyen mustaan aukkoon. Tämä hitaasti valuva kaasuvirta muodostaa usein mustan aukon ympärille niin sanotun kertymäkiekon, joka on kirkas, havaittava röntgensäteilyn lähde.
Mustien aukkojen ympäristön tuottamaa säteilyä on yritetty mallintaa 1970-luvulta lähtien. Oletus oli jo tuolloin, 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, mutta mustien aukkojen ympäristö on hyvin energeettinen, jolloin tämäkin on mahdollista. Myöskään säteily ei yleensä vuorovaikuta plasman kanssa. Mustien aukkojen ympärillä fotonit ovat kuitenkin 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.
Alkuperäinen artikkeli: Nättilä, J. Radiative plasma simulations of black hole accretion flow coronae in the hard and soft states. Nat Commun, 15, 7026 (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-51257-1
Lisätietoja:
Apulaisprofessori Joonas Nättilä
Helsingin yliopisto
joonas.nattila@helsinki.fi
tel. +358 45 35 77 992
https://natj.github.io/
Yhteyshenkilöt
Johanna PellinenViestintäpäällikkö
Puh:+358 43 8245 394johanna.p.pellinen@helsinki.fiHelsingin yliopiston mediapalvelu
Puh:02941 22622mediapalvelu@helsinki.fiKuvat
Linkit
Tietoja julkaisijasta
Helsingin yliopisto on yli 40 000 opiskelijan ja työntekijän kansainvälinen yhteisö, joka tuottaa tieteen voimalla kestävää tulevaisuutta koko maailman parhaaksi. Se sijoittuu kansainvälisissä yliopistovertailuissa maailman sadan parhaan yliopiston joukkoon. Monitieteinen yliopisto toimii neljällä kampuksella Helsingissä sekä Lahden, Mikkelin ja Seinäjoen yliopistokeskuksissa. Lisäksi sillä on kuusi tutkimusasemaa eri puolilla Suomea ja yksi Keniassa. Yliopisto on perustettu vuonna 1640.
Tilaa tiedotteet sähköpostiisi
Haluatko tietää asioista ensimmäisten joukossa? Kun tilaat tiedotteemme, saat ne sähköpostiisi välittömästi julkaisuhetkellä. Tilauksen voit halutessasi perua milloin tahansa.
Lue lisää julkaisijalta Helsingin yliopisto
Urheilevien lasten selän rasitusmurtumien varhainen toteaminen ja hoito parantavat ennustetta ja selän toimintakykyä21.8.2024 12:14:11 EEST | Tiedote
Lasten selän rasitusmurtumien varhainen toteaminen ja liikunnan tauottaminen 4 kuukauden ajaksi mahdollistavat murtumien paranemisen. Valtaosa tutkituista lapsista pystyi palaamaan liikuntaharrastuksensa pariin.
Metsäkato aiheuttaa Afrikan vuoristosademetsissä enemmän lämpenemistä kuin ilmastonmuutos19.8.2024 10:29:11 EEST | Tiedote
Metsäkato on lämmittänyt ilmastoa ja nostanut pilvipeitettä ylemmäs maanpinnasta Afrikan vuoristosademetsissä. Kahdenkymmenen viime vuoden aikana tapahtuneen metsäkadon aiheuttamat muutokset ovat kaksi kertaa voimakkaampia kuin ilmastonmuutoksesta johtuvat vastaavat muutokset.
Imatinibi-lääkitys ei vähentänytkään kuolleisuutta sairaalahoidetuilla koronapotilailla – professori miettii jo seuraavaa pandemiaa16.8.2024 12:51:15 EEST | Tiedote
Tuoreesta Solidarity Finland -tutkimusryhmän tutkimuksesta selviää, että imatinibi-lääkitys ei vähentänyt kuolleisuutta sairaalahoidetuilla COVID-19-potilailla, toisin kuin aiemmin on esitetty. Lisäksi tutkimus osoittaa, että long covid -tyyppiset oireet ovat sairaalahoitoisilla potilailla yleisiä vielä vuoden kuluttua sairastumisesta.
Puuston määrällä ja kasvualustan laadulla voidaan lisätä hiilen sidontaa tiiviillä kaupunkialueella15.8.2024 09:25:07 EEST | Tiedote
Helsingin yliopiston, Ilmatieteen laitoksen ja Aalto-yliopiston tutkijat arvioivat keinoja, joiden avulla hiilinieluja ja -varastoja saadaan lisättyä kasvillisuuteen ja maaperään. Hiedanrannassa Tampereella tehdyssä selvityksessä kävi ilmi, että etenkin puiden määrä ja kasvualustan laatu vaikuttavat hiilen sidontaan.
Henkirikoksissa laskeva trendi15.8.2024 08:30:00 EEST | Tiedote
Henkirikollisuuden taso on laskenut vuodesta 2009 vuoteen 2022. Myönteinen kehitys näkyy hieman selvemmin miehiin kohdistuneessa väkivallassa. Tämä käy ilmi Helsingin yliopiston Kriminologian ja oikeuspolitiikan instituutin Henkirikoskatsauksesta.
Uutishuoneessa voit lukea tiedotteitamme ja muuta julkaisemaamme materiaalia. Löydät sieltä niin yhteyshenkilöidemme tiedot kuin vapaasti julkaistavissa olevia kuvia ja videoita. Uutishuoneessa voit nähdä myös sosiaalisen median sisältöjä. Kaikki tiedotepalvelussa julkaistu materiaali on vapaasti median käytettävissä.
Tutustu uutishuoneeseemme