Forskare vid Princeton University och US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har utvecklat en rigorös ny metod för modellering av ackretionsskivan som matar det supermassiva svarta hålet i mitten av vår Vintergatans galax. Pappret, publicerades online i december i tidningen Fysiska granskningsbrev , ger en välbehövlig grund för simulering av de extraordinära processerna.

Ackretionsskivor är plasmamoln som kretsar och gradvis virvlar in i massiva kroppar som svarta hål - intensiva gravitationsfält producerade av stjärnor som kollapsar till en liten bråkdel av sin ursprungliga storlek. Dessa kollapsade stjärnor begränsas av en "händelsehorisont, "från vilket inte ens ljus kan komma ut. När ackumuleringsskivor flödar mot händelsehorisonter, de driver några av de ljusaste och mest energiska källorna till elektromagnetisk strålning i universum.

Fyra miljoner gånger solens massa

Det kolossala svarta hålet i Vintergatans centrum - kallat "Skytten A*" eftersom det finns i stjärnbilden Skytten - har en gravitation som är fyra miljoner gånger större än vår egen sol. Ändå är ackumuleringsskivans plasma som spiraler in i denna massa "strålande ineffektivt, "vilket betyder att den avger mycket mindre strålning än man kan förvänta sig.

"Så frågan är, varför är den här skivan så lugn? "frågar Matthew Kunz, huvudförfattare till tidningen, biträdande professor i astrofysiska vetenskaper vid Princeton University och fysiker vid PPPL. Medförfattare inkluderar James Stone, Princeton professor i astrofysiska vetenskaper, och Eliot Quataert, chef för teoretisk astrofysik vid University of California, Berkeley.

För att utveckla en metod för att hitta svaret, forskarna betraktade karaktären hos superhot Skytten A* ackretionsskiva. Dess plasma är så varmt och utspätt att det är kollisionsfritt, vilket betyder att protoner och elektroners banor i plasma sällan skär varandra.

Denna brist på kollisionalitet skiljer Skyttens A* ackretionsskiva från ljusare och mer strålande skivor som kretsar kring andra svarta hål. De ljusare skivorna är kollisionella och kan modelleras med formler från 1990 -talet, som behandlar plasman som en elektriskt ledande vätska. Men "sådana modeller är olämpliga för tillträde till vårt supermassiva svarta hål, "Sa Kunz, eftersom de inte kan beskriva processen som får den kollisionsfria Skytten A* -skivan att växa instabil och spiral ner.

Spåra kollisionslösa partiklar

För att modellera processen för Skyttens A* -skiva, papperet ersätter formlerna som behandlar kollisionsplasmas rörelse som en makroskopisk vätska. Istället, författarna använder en metod som fysiker kallar "kinetisk" för att systematiskt spåra enskilda kollisionlösa partiklar. Detta komplexa tillvägagångssätt, utförd med Pegasus datorkod som utvecklats i Princeton av Kunz, Stone och Xuening Bai, nu föreläsare vid Harvard University, producerat en uppsättning ekvationer som bättre kan modellera beteendet hos disken som kretsar kring det supermassiva svarta hålet.

Detta kinetiska tillvägagångssätt kan hjälpa astrofysiker att förstå vad som orsakar ackretionsdiskområdet runt Skyttens A* -hål att utstråla så lite ljus. Resultaten kan också förbättra förståelsen för andra nyckelfrågor, till exempel hur magnetiserade plasma beter sig i extrema miljöer och hur magnetiska fält kan förstärkas.

Målet med den nya metoden, sa Kunz, "kommer att vara att producera mer förutsägbara modeller av utsläpp från svart-hålsansamling vid det galaktiska centrumet för jämförelse med astrofysiska observationer." Sådana observationer kommer från instrument som Chandra röntgenobservatorium, en jordbana satellit som NASA lanserade 1999, och det kommande Event Horizon Telescope, en rad med nio jordbaserade radioteleskop i länder runt om i världen.