Uit nieuw onderzoek blijkt dat superzware zwarte gaten omringende materie sneller opeten dan eerder werd gedacht. Het inzicht komt uit simulaties met hoge resolutie en zou kunnen verklaren waarom quasars zo snel opvlammen en vervagen. Een nieuwe studie onder leiding van de Northwestern University verandert de manier waarop astrofysici de voedingsgewoonten van superzware zwarte gaten begrijpen. Eerdere onderzoekers gingen ervan uit dat zwarte gaten langzaam eten, maar nieuwe simulaties laten zien dat zwarte gaten veel sneller voedsel opslokken dan de conventionele wijsheid dacht.
Het onderzoek werd op 20 september gepubliceerd in het Astrophysical Journal.
Simulatie-inzichten
Volgens nieuwe driedimensionale simulaties met hoge resolutie vervormt een ronddraaiend zwart gat de ruimte-tijd eromheen, waardoor uiteindelijk de gewelddadige gasvortex, of accretieschijf, die het zwarte gat omringt en voedt, wordt verscheurd. Dit zorgt ervoor dat de accretieschijf in twee subschijven scheurt, een binnenste en een buitenste. Het zwarte gat verslindt als eerste de binnenring. Vervolgens stromen fragmenten van de buitenste subschijf naar binnen, waardoor de leegte wordt opgevuld die is achtergelaten door de volledig verslonden binnenring, en het verslindende proces herhaalt zich.
Een cyclus van het eindeloos herhalen van het proces van ‘eten’ – ‘eten’ – ‘opnieuw eten’ duurt slechts een paar maanden – een schokkend snelle tijdschaal vergeleken met de honderden jaren die eerder door onderzoekers werden voorgesteld.
De nieuwe ontdekking helpt bij het verklaren van het dramatische gedrag van enkele van de helderste objecten aan de nachtelijke hemel, waaronder quasars, die plotseling in vlammen opgaan en vervolgens zonder duidelijke reden verdwijnen.
Nick Kaaz van de Northwestern University, die het onderzoek leidde, zei: ‘De klassieke accretieschijftheorie voorspelt dat de accretieschijf langzaam zal evolueren. Maar sommige quasars – zwarte gaten die gas in de accretieschijf verslinden – lijken dramatische veranderingen te ondergaan op tijdschalen van maanden tot jaren. De veranderingen zijn zo dramatisch. Het lijkt alsof het binnenste deel van de accretieschijf – waar het meeste licht vandaan komt – wordt vernietigd en vervolgens wordt aangevuld. De klassieke accretieschijftheorie kan deze dramatische verandering niet verklaren, maar het Het is mogelijk dat het snelle oplichten en dimmen dat we in onze simulaties zien consistent is met de vernietiging van de binnenste delen van de schijf."
Kaaz is een afgestudeerde student astronomie aan het Weinberg College of Arts and Sciences van de Northwestern University en lid van het Center for Interdisciplinaire Exploration and Research in Astrophysics (CIERA). Kaaz werd begeleid door co-auteur Alexander Tchekhovskoy, universitair hoofddocent natuurkunde en astronomie aan het Weinberg College en CIERA-lid.
verkeerde veronderstelling
De accretieschijven rond zwarte gaten zijn fysiek zeer complexe objecten en daarom moeilijk te modelleren. Conventionele theorieën hebben moeite gehad om uit te leggen waarom deze schijven zo helder schijnen en dan plotseling doven – en soms helemaal verdwijnen.
Eerdere onderzoekers geloofden ten onrechte dat accretieschijven relatief geordend waren. In deze modellen draaien gas en deeltjes rond het zwarte gat – in hetzelfde vlak als het zwarte gat en in dezelfde richting als de draaiing van het zwarte gat. Vervolgens, over een tijdschaal van honderden tot honderdduizenden jaren, spiralen gasdeeltjes geleidelijk het zwarte gat in en voeden het.
"Cennia lang hebben mensen er in grote mate van uitgegaan dat de accretieschijf op één lijn lag met de rotatie van het zwarte gat", zei Kaaz. "Maar het gas dat deze zwarte gaten voedt, weet niet noodzakelijkerwijs in welke richting de zwarte gaten draaien, dus waarom richten ze zich op elkaar? Het veranderen van de uitlijning verandert het beeld dramatisch."
De simulatie van de onderzoekers, een van de simulaties met de hoogste resolutie van een accretieschijf tot nu toe, laat zien dat het gebied rond een zwart gat veel chaotischer en turbulenter is dan eerder werd gedacht.
Meer een gyroscoop dan een bord
Onderzoekers gebruikten Summit, een van 's werelds grootste supercomputers van het Oak Ridge National Laboratory, om driedimensionale algemeen relativistische magnetohydrodynamica (GRMHD) simulaties uit te voeren van een gekantelde dunne accretieschijf. Hoewel eerdere simulaties niet krachtig genoeg waren om alle noodzakelijke natuurkunde te omvatten die nodig is om een echt zwart gat te construeren, omvat het door het Noordwesten geleide model gasdynamica, magnetische velden en algemene relativiteitstheorie om een completer beeld te krijgen.
"Zwarte gaten zijn extreem algemeen relativistische objecten die de omringende ruimte-tijd beïnvloeden", zei Kaaz. ‘Dus wanneer zwarte gaten ronddraaien, slepen ze de ruimte om hen heen als een gigantische draaimolen, waardoor de ruimte ook wordt gedwongen te draaien – een fenomeen dat bekend staat als ‘frame drag’. Dit creëert een zeer sterk effect dichtbij het zwarte gat, en wordt verder weg zwakker en zwakker.’
Frame drag zorgt ervoor dat de hele schijf in een cirkel wiebelt, vergelijkbaar met de voorbewerking van een gyroscoop. Maar de binnenkant van de schijf zwaait veel sneller dan de buitenkant. Deze krachtmismatch zorgt ervoor dat de hele schijf kromtrekt, waardoor gassen uit verschillende delen van de schijf met elkaar botsen. De sterke schokgolven die door de botsing ontstaan, duwen het materiaal met geweld steeds dichter bij het zwarte gat.
Naarmate het kromtrekken ernstiger wordt, blijft het binnenste deel van de accretieschijf steeds sneller wiebelen totdat het loskomt van de rest van de schijf. Vervolgens beginnen de subschijven, op basis van nieuwe simulatieresultaten, onafhankelijk van elkaar te evolueren. In plaats van soepel samen te bewegen als platte platen rond het zwarte gat, wiebelen de subschijven onafhankelijk met verschillende snelheden en hoeken, zoals de wielen in een gyroscoop.
"Terwijl de binnenste schijf uit elkaar scheurt, wordt deze onafhankelijk voorbewerkt. De voorwaartse beweging is sneller omdat hij dichter bij het zwarte gat is, en omdat hij kleiner is, kan hij gemakkelijker bewegen", zei Kaaz.
Waar zwarte gaten winnen
Volgens de nieuwe simulaties is de traanzone – waar de binnenste en buitenste subschijven loskomen – waar de voedingswaanzin echt begint. Terwijl wrijving de schijf bij elkaar probeert te houden, probeert de vervorming van de ruimtetijd door het draaiende zwarte gat deze uit elkaar te scheuren.
"Er is een competitie tussen de rotatie van het zwarte gat en de wrijving en druk in de schijf", zei Katz. "De scheurzone is waar het zwarte gat wint. De binnenste en buitenste schijf botsen met elkaar. De buitenste schijf scheert lagen van de binnenste schijf weg en duwt deze naar binnen."
Nu kruisen de subschijven elkaar onder verschillende hoeken. De buitenschijf stort het materiaal op de binnenschijf. Deze extra massa duwt ook de binnenste schijf richting het zwarte gat en slokt het op. De eigen zwaartekracht van het zwarte gat trekt vervolgens gas van de buitenste gebieden naar de nu lege binnenste gebieden en vult het opnieuw.
Verbindingen tussen quasars
Deze snelle cyclus van ‘eten-en-eten-eten’ zou het zogenaamde ‘veranderende uiterlijk’ van quasars kunnen verklaren, zei Katz. Quasars zijn extreem heldere objecten die duizend keer de energie uitstralen van de 200 miljard tot 400 miljard sterren in de hele Melkweg. Veranderende quasars zijn nog extremer. Ze lijken in de loop van een aantal maanden aan en uit te flikkeren - een extreem korte tijd voor een typische quasar.
Hoewel de klassieke theorie aannames doet over de snelheid van de evolutie van accretieschijven en helderheidsveranderingen, suggereren observaties van vervormde quasars dat ze in werkelijkheid veel sneller evolueren.
"Het binnenste gebied van de accretieschijf, waar het grootste deel van de helderheid vandaan komt, kan volledig verdwijnen - snel binnen een paar maanden. We kunnen het feitelijk volledig zien verdwijnen. Het systeem licht niet meer op. Vervolgens wordt het weer helderder en herhaalt het proces zich. De conventionele theorie kan niet verklaren waarom het überhaupt verdwijnt, of hoe het zich zo snel opnieuw vult."
De nieuwe simulatie heeft niet alleen het potentieel om quasars te verklaren, maar ook om al lang bestaande vragen over de mysterieuze aard van zwarte gaten te beantwoorden.
"Hoe gas een zwart gat binnendringt om het van stroom te voorzien, is een centrale vraag in de fysica van de accretieschijven", zei Katz. "Als je weet hoe dit gebeurt, kun je zien hoe lang de schijf meegaat, hoe helder hij is en hoe het licht eruit zou moeten zien als we er met een telescoop naar kijken."