20 september 2019

Supercomputersimulaties modelleren hoe plasma jetstralen uit zwarte gaten ontsnappen

Onderzoeksteams van het Lawrence Berkeley Nationaal Laboratorium en de Universiteit van Californië, Berkeley, hebben met nieuwe supercomputersimulaties geprobeerd nieuwe inzichten te verkrijgen in de drijvende krachten achter de plasma jetstralen van zwarte gaten. Hierbij gingen ze aan de slag met een combinatie van decennia oude theorieën, in casu de Bladford-Znajek en Penrose theorieën, met betrekking tot de processen die zich afspelen aan de waarnemingshorizon van zwarte gaten.

Deze visualisatie van een algemene relativistische botsingsvrije plasmasimulatie toont de dichtheid van positronen in de buurt van de waarnemingshorizon van een roterend zwart gat. Plasma-instabiliteit produceert eilandachtige structuren in de regio van intense elektrische stroom.Credits; Kyle Parfrey / Berkely Lab

Nog steeds hebben wetenschappers geen helder inzicht in hoe de energie die in de rotatie van zwarte gaten besloten ligt precies onttrokken wordt, daarbij plasma jetstralen vormend die met onmetelijke snelheden in tegengestelde richtingen de ruimte in geslingerd worden. Deze plasma jetstralen kunnen tot miljoenen lichtjaren ver reiken. Momenteel verbonden aan het Goddard Space Flight Center leidde Dr. Kyle Parfrey  het simulatie onderzoek in zijn hoedanigheid als Einstein Postdoctoraal Fellow verbonden aan de Nucleair Science Divisie van het Lawrence Berkeley lab. Dr. Parfrey is eerste auteur van het wetenschappelijk artikel ‘First Principles Plasma Simulations of Black-Hole Jet Launchingdat op 23 januari j.l. gepubliceerd werd in Physical Review Letters. De computer simulaties verenigden voor de eerste keer de theorieën van Blandford-Znajek en Penrose m.b.t. plasma jetstralen. Eerstgenoemde theorie beschrijft hoe elektrische stromen rond een zwart gat zijn magnetisch veld verdraaien om een jet straal te creëren, bekend als het Blandford-Znajek-mechanisme. Deze theorie poneert dat materiaal dat gevangen zit in de zwaartekracht van een roterend zwart gat steeds magnetischer wordt naarmate het dichter bij de waarnemingshorizon  komt. Het zwarte gat werkt als een massieve geleider die ronddraait in een enorm magnetisch veld, dat een energieverschil (spanning) tussen de polen van het zwarte gat en zijn evenaar veroorzaakt. Dit energieverschil wordt vervolgens verspreid als stralen bij de polen van het zwarte gat.  Laatstgenoemde theorie beschrijft het Penrose-proces, waarin deeltjes die de waarnemingshorizon van een zwart gat naderen uiteenvallen. In dit scenario schiet de ene helft van het deeltje weg van het zwarte gat en de andere helft van het deeltje draagt negatieve energie en valt in het zwarte gat. “Er is een gebied rond een roterend zwart gat, de ergosfeer, waarbinnen alle deeltjes gedwongen worden in dezelfde richting te roteren als het zwarte gat”, vertelt de NASA  astrofysicus Parfrey aan o.a. Motherboard. “In deze regio is het mogelijk dat een deeltje op de een of andere manier effectief negatieve energie heeft, als het probeert te draaien tegen de rotatie van het gat in. “Met andere woorden, als de helft van het gesplitste deeltje tegen de spin van het zwarte gat wordt gelanceerd, zal dit het hoekmoment of de rotatie van het zwarte gat verminderen. Maar die rotatie-energie moet ergens heen gaan. In dit geval wordt het omgezet in energie die de andere helft van het deeltje wegjaagt van het zwarte gat.

Volgens Parfrey was het Penrose-proces dat in hun computer simulaties werd waargenomen, een beetje anders dan de klassieke situatie van een deeltjessplitsing die hierboven werd beschreven. Echter in plaats van deeltjes te splitsen, worden geladen deeltjes in het plasma in werking gesteld door elektromagnetische krachten, waarvan sommige worden aangedreven tegen de rotatie van het zwarte gat op een negatief energietraject. In die zin, zo vertelt Parfrey Motherboard kan dit verschijnsel nog steeds worden beschouwd als een soort Penrose-proces. Het verrassende deel van de  simulatie was, aldus Parfrey, dat het een verband leek te leggen tussen het Penford proces en het Blandford-Znajek mechanism, dat nooit eerder was gezien. Om de draaiende magnetische velden te creëren  die energie uit het zwarte gat in het Blandford-Znajek-mechanisme halen, is de elektrische stroom door deeltjes in het plasma vereist en een aanzienlijk aantal van deze deeltjes had negatieve eigenschappen van het Penrose-proces. “Het lijkt er dus op dat, althans in sommige gevallen, de twee mechanismen met elkaar verbonden zijn.  Het team hoopt dat hun simulatie modellen zullen voorzien in de broodnodige context voor de foto’s van de toekomstige Event Horizon Telescope, een array telescoop die directe opnamen gaat maken van de waarnemingshorizon waar zich deze plasma jets vormen. Totdat deze eerste foto is geproduceerd, zo zei Parfrey, willen hij en zijn collega’s deze simulaties verder verfijnen opdat ze nog beter aan zullen sluiten op toekomstige observaties.

Het Berkeley laboratorium heeft een grote expertise in huis voor wat betreft computer hoge energie plasma simulaties. Deze simulaties  werden uitgevoerd in een van de meest geavanceerde computercentrum van NASA, het Ames Research center in Mountain View, Californië. Hoewel gedetailleerder dan sommige eerdere modellen, merkte Parfrey op dat zijn team nog steeds bezig is met de analyses van de computer simulatie waarnemingen, ook zijn ze in sommige opzichten geïdealiseerd om de berekeningen te vereenvoudigen die nodig zijn om de simulaties uit te kunnen voeren. Het modelleren van alle complexe fysica die gepaard gaat met deze uitstoot van plasma jets,  waarbij  rekening gehouden moet houden met het creëren van elektronenparen en positronen, het versnellingsmechanisme voor de deeltjes en de emissie van licht in de stralen is ook voor deze supercomputer een complexe zaak.  Het team wil het proces waarmee elektronen beter kunnen worden gemodelleerd uitbreiden met de uitbreiding van de aanwas stroom van invallende materie rond de waarnemingshorizon van het zwarte gat. “We hopen zo een nog beter consistent beeld te geven van het hele probleem,” aldus Parfrey

Kyle Parfrey, Alexander Philippov, Benoît Cerutti.First-Principles Plasma Simulations of Black-Hole Jet Launching. Physical Review Letters, 2019; 122 (3) DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.035101

Speak Your Mind

*

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.