Hình dung cho thấy plasma hỗn loạn di chuyển như thế nào trong vành đĩa bồi tụ từ hóa.

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Helsinki đã thành công trong việc giải thích bức xạ tia X từ môi trường xung quanh hố đen, một điều đã được theo đuổi từ những năm 1970. Bức xạ này bắt nguồn từ tác động kết hợp của sự chuyển động hỗn loạn của các trường từ và khí plasma hỗn loạn.

Sử dụng các mô phỏng chi tiết trên siêu máy tính, các nhà nghiên cứu tại Đại học Helsinki đã mô hình hóa các tương tác giữa bức xạ, plasma và các trường từ xung quanh hố đen. Họ phát hiện rằng các chuyển động hỗn loạn, hay còn gọi là nhiễu loạn, do các trường từ gây ra làm nóng plasma tại chỗ và khiến nó phát ra bức xạ.

Nghiên cứu này đã được công bố trên tạp chí Nature Communications. Mô phỏng được sử dụng trong nghiên cứu là mô hình vật lý plasma đầu tiên bao gồm tất cả các tương tác lượng tử quan trọng giữa bức xạ và plasma.

Tập trung vào bức xạ tia X từ các đĩa bồi tụ.

Một hố đen được hình thành khi một ngôi sao lớn sụp đổ thành một khối lượng đậm đặc đến mức lực hấp dẫn của nó ngăn cản ngay cả ánh sáng thoát khỏi phạm vi ảnh hưởng của nó. Vì lý do này, thay vì quan sát trực tiếp, hố đen chỉ có thể được quan sát thông qua các tác động gián tiếp của nó lên môi trường xung quanh.

Hầu hết các hố đen được quan sát đều có một ngôi sao đồng hành, cùng với hố đen tạo thành một hệ sao đôi. Trong một hệ sao đôi, hai vật thể quay quanh nhau, và vật chất từ ngôi sao đồng hành từ từ xoáy vào hố đen. Dòng khí chảy chậm này thường tạo thành một đĩa bồi tụ xung quanh hố đen, là một nguồn tia X sáng và có thể quan sát được.

Kể từ những năm 1970, đã có nhiều nỗ lực nhằm mô hình hóa bức xạ từ các dòng bồi tụ xung quanh hố đen. Vào thời điểm đó, người ta đã nghĩ rằng tia X được tạo ra thông qua sự tương tác giữa khí và các trường từ tại chỗ, tương tự như cách vùng xung quanh mặt trời được làm nóng bởi hoạt động từ của nó thông qua các tia lửa mặt trời.

Tương tác giữa bức xạ và plasma.

Các mô phỏng đã cho thấy rằng sự nhiễu loạn xung quanh các hố đen mạnh đến mức ngay cả các hiệu ứng lượng tử cũng đóng vai trò quan trọng trong cách plasma hoạt động.

Trong mô hình này, plasma gồm electron-positron và photon, bức xạ tia X tại chỗ có thể biến thành electron và positron. Khi các hạt này gặp nhau, chúng có thể hủy diệt lẫn nhau và tạo ra bức xạ một lần nữa.

Nättilä giải thích rằng electron và positron, là hạt phản vật chất của nhau, thường không xuất hiện cùng một nơi. Tuy nhiên, môi trường năng lượng xung quanh hố đen khiến điều này trở nên có thể. Thông thường, bức xạ không tương tác với plasma, nhưng các photon xung quanh hố đen có năng lượng rất cao, vì vậy chúng bắt đầu tương tác mạnh với plasma.

“Trong cuộc sống hàng ngày, những hiện tượng lượng tử như việc vật chất đột ngột xuất hiện từ ánh sáng rất mạnh là điều chúng ta không thấy. Nhưng gần hố đen, những hiện tượng này trở nên vô cùng quan trọng,” Nättilä nói.

“Chúng tôi đã mất nhiều năm để nghiên cứu và thêm vào mô phỏng tất cả các hiện tượng lượng tử xảy ra trong tự nhiên, nhưng cuối cùng, mọi công sức đều xứng đáng,” ông bổ sung.

Một mô phỏng chính xác về nguồn gốc của bức xạ.

Nghiên cứu đã chứng minh rằng plasma nhiễu loạn tự nhiên tạo ra loại bức xạ tia X quan sát được từ các đĩa bồi tụ. Lần đầu tiên, mô phỏng cũng đã cho thấy rằng plasma xung quanh các hố đen có thể tồn tại ở hai trạng thái cân bằng khác nhau, tùy thuộc vào trường bức xạ bên ngoài. Ở một trạng thái, plasma trong suốt và lạnh, trong khi ở trạng thái khác, nó đục và nóng.

“Các quan sát tia X của các đĩa bồi tụ hố đen cho thấy chính xác loại biến đổi tương tự giữa các trạng thái mềm và cứng,” Nättilä chỉ ra.

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

*Chú thích:

Quantum: lượng tử. Là một phần nhỏ nhất của năng lượng, đơn vị rất nhỏ mà mọi thứ trong vũ trụ có thể chia ra được, nhỏ đến mức chúng ta không thể nhìn thấy bằng mắt thường (Một lượng năng lượng rời rạc tỷ lệ thuận với tần số của bức xạ mà nó đại diện)

Plasma: Trong thiên văn học, plasma là trạng thái vật chất phổ biến nhất trong vũ trụ, chủ yếu tồn tại trong các ngôi sao và không gian giữa các sao. Ví dụ: Mặt Trời và các ngôi sao khác là những khối plasma khổng lồ, trông giống như quả cầu sáng chói trên bầu trời. Plasma gồm các ion dương và electron tự do, có khả năng dẫn điện và tương tác mạnh với từ trường. Nó chịu trách nhiệm cho nhiều hiện tượng vũ trụ quan trọng như phản ứng nhiệt hạch trong ngôi sao, gió Mặt Trời, và các bức xạ vũ trụ.

Turbulence: sự hỗn loạn. Là sự chuyển động hỗn loạn và phức tạp của chất khí hoặc plasma trong không gian. Thay vì di chuyển mượt mà như dòng nước chảy, các hạt trong môi trường này di chuyển một cách không đều, với các dòng chảy xoáy và thay đổi liên tục. Nhiễu loạn có thể xảy ra trong các đám mây khí, trong đĩa bồi tụ xung quanh hố đen, hoặc trong khí quyển của các ngôi sao, và nó thường ảnh hưởng đến cách mà vật chất và năng lượng phân bố trong những môi trường này.

Được cung cấp bởi University of Helsinki