Dynamika procesów wokół gwiazd zwartych

Celem mojego projektu jest zbadanie kosmicznego otoczenia gwiazd zwartych: czarnych dziur i gwiazd neutronowych, będących źródłem ekstremalnego potencjału grawitacyjnego.

Gwiazdy te oddziałują ze swym otoczeniem, pochłaniając materię znajdującą się w pobliżu. Jeśli materia taka posiada pewien niezerowy moment pędu, to w pewnej odległości od centrum (większej niż rozmiar horyzontu zdarzeń czarnej dziury lub promień gwiazdy neutronowej), może poruszać się po kołowej orbicie, zaś aby wpaść pod horyzont, powinna ten moment pędu wytracić. Pomagają w tym mechanizmy związane z tarciem lub turbulencjami, zaś w wypadku dysków akrecyjnych (składających się z setek pierścieni materii znajdującej się na takich coraz dalszych kołowych orbitach) ważnym czynnikiem jest obecność pola magnetycznego. Z kolei gwiazda neutronowa, która posiada twardą powierzchnię, pomaga wytracić materii moment pędu na tak zwanej warstwie brzegowej. W wyniku tego procesu uwalniane są olbrzymie ilości energii, którą obserwujemy w postaci promieniowania. Jeśli pole magnetyczne jest bardzo silne, to potrafi też okazjonalnie odpychać materię od horyzontu. Mamy wówczas do czynienia z efektem tak zwanego dysku aresztowanego magnetycznie (MAD).

  prof. Agnieszka Janiuk, fot. Łukasz Bera Zbadanie procesu akrecji w wypadku dysku MAD wymaga rozwiązania skomplikowanych równań różniczkowych opisujących magnetohydrodynamikę plazmy, poruszającej się w silnym polu grawitacyjnym, co wymaga też uwzględnienia efektów Ogólnej Teorii Względności (OTW).  Stosujemy w tym celu symulacje komputerowe, ponieważ równań tych nie da się rozwiązać  analitycznie, na kartce papieru. Istnieją jednak dokładne i wiarygodne metody numeryczne, umożliwiające zbadanie zjawisk zachodzących w silnie namagnesowanej plazmie w otoczeniu horyzontu czarnej dziury. Stosowane i rozwijane przez nasz zespół programy komputerowe pozwalają na symulowanie zjawisk zachodzących w kosmicznej plazmie, określenie jak będzie wyglądał obraz magnetosfery otaczającej dysk akrecyjny oraz jego modelowe widmo promieniowania. Sprawdzamy też jak będzie się zmieniać w czasie emisja fotonów w różnych zakresach długości fali.

Z obserwacji dostępnych ostatnio dzięki interferometrii radiowej (Teleskop Horyzontu Zdarzeń – EHT) możliwe było uzyskanie obrazu pierścienia świetlnego otaczającego horyzont czarnej dziury w galaktyce M87, a także w naszej Galaktyce, gdzie centrum oznacza się symbolem Sgr A*. Pierścień ten świeci dzięki emisji promieniowania synchrotronowego, a kształt tej emisji dobrze zgadza się z tym co może wyświecić dysk o strukturze MAD. W jednej z naszych najnowszych prac, pokazujemy dokładne dopasowanie widma promieniowania emitowanego przez taki dysk do danych obserwacyjnych uzyskanych przez teleskopy rentgenowskie i optyczne dla galaktyki M87. W pracy tej po raz pierwszy konfrontujemy zakres temperatur w wewnętrznym obszarze dysku wynikający z symulacji dynamicznej, z tym czego wymagają obserwacje obiektu, w którym znajduje się supermasywna czarna dziura zobrazowana przez teleskop EHT.

W innym cyklu prac, z których dwie ukazały się już w prestiżowym czasopiśmie „Nature”, wraz z międzynarodowym zespołem naukowców analizujemy zjawiska zwane kwasi-periodycznymi erupcjami (QPE). Te krótkotrwałe rozbłyski promieniowania, trwające od kilkudziesięciu godzin do kilku dni, zachodzą w otoczeniu masywnych czarnych dziur w odległych galaktykach. Wyjątkowa skala czasowa zjawiska i jego spektakularny charakter skłonił badaczy do wysunięcia różnych hipotez na temat przyczyn takich erupcji. Jedną z możliwości jest niestabilność w procesie akrecji, w którym akreowana w krótkim czasie materia pochodzi z rozerwania gwiazdy przebywającej w pobliżu horyzontu czarnej dziury. Inna możliwość to okresowa zmienność dżetu wyrzucanego podczas tego procesu, wywołana zjawiskiem precesji. Nasze obliczenia teoretyczne posłużyły do zweryfikowania postawionych hipotez.