Eine erste definitive Demonstration der nichtthermischen Teilchenbeschleunigung in magnetorotationalen Turbulenzen

Forscher an der University of Colorado, Boulder, der KU Leuven, dem Flatiron Institute und der University of Wisconsin–Madison haben sich vor kurzem daran gemacht, eine seit langem bestehende Forschungsfrage zu beantworten: nämlich, ob geladene Teilchen in den turbulenten Strömungen, die üblicherweise Schwarze Löcher und andere kompakte Objekte umgeben, auf sehr hohe Energien beschleunigt werden können.

Ihr Papier, veröffentlicht In Briefe zur körperlichen Überprüfungskizziert die Ergebnisse der von ihnen durchgeführten umfangreichen Simulationen, die die nichtthermische Beschleunigung von Partikeln in der kinetischen magnetorotationalen Turbulenz belegen, die in Plasmen natürlicherweise auftritt.

„Eine offene Frage im Bereich der Schwarzlochplasma-Astrophysik ist: Können geladene Teilchen (z. B. Elektronen und Ionen) in turbulenten Strömungen um Schwarze Löcher auf sehr hohe Energien beschleunigt werden?“, sagte Fabio Bacchini, Hauptautor des Artikels, gegenüber Phys.org. „Diese Frage hat sehr tiefgreifende Auswirkungen auf unser Verständnis der extremen Umgebungen um Schwarze Löcher, wie sie beispielsweise kürzlich von der Event Horizon Telescope Collaboration beobachtet wurden.“

Um diese Schlüsselfrage zur Beschleunigung geladener Teilchen in turbulenten Strömungen zu beantworten, mussten Bacchini und seine Kollegen zunächst die Turbulenzen in der extremen Umgebung schwarzer Löcher modellieren. Diese einzigartigen Umgebungen sind durch die sogenannte magnetorotationale Instabilität (MRI) gekennzeichnet, einen starken Prozess zur Verstärkung des Magnetfelds, der natürlicherweise in Plasmen auftritt, die Scherkräften und anderen Kräften ausgesetzt sind, die in der Umgebung schwarzer Löcher vorkommen.

„Wenn man es als isolierten Prozess betrachtet, durchläuft das MRT mehrere Stadien und erreicht schließlich einen ‚turbulenten gesättigten Zustand‘ (also einen turbulenten Zustand, in dem das MRT magnetische Felder verstärkt, während diese Felder gleichzeitig durch Dissipationsmechanismen kontinuierlich zerstört werden)“, sagte Bacchini.

„Dieser Zustand kann im Wesentlichen für immer aufrechterhalten werden, und wir glauben, dass dies der Zustand ist, in dem Plasmen üblicherweise um schwarze Löcher herum zu finden sind. Also haben wir eine Simulation ausgeheckt, in der wir die MRI-Entwicklung bis hin zum turbulenten Stadium modellieren.“

Nachdem sie die Entwicklung des MRI bis zur Turbulenz simuliert hatten, waren Bacchini und seine Kollegen bereit, ihre ursprüngliche Forschungsfrage anzugehen. Da sie das MRI in seinen verschiedenen Stadien simulierten, waren die geladenen Teilchen in ihren Simulationen jedoch bereits von der Dynamik beeinflusst, die im System vor dem Auftreten der Turbulenz auftrat.

„Man kann diese Frage nicht wirklich beantworten, weil sich die Partikel in den Simulationen daran ‚erinnern‘, was vor dem turbulenten Zustand passiert ist (einschließlich jeglicher Beschleunigung, die sie erfahren haben), und ihre Entwicklung durch die nachfolgende Turbulenz ist nicht unabhängig von diesen Stadien vor der Turbulenz“, sagte Bacchini.

„Das Hauptziel dieser Arbeit bestand darin, die Teilchenbeschleunigung in der Turbulenz unabhängig von den Anfangsbedingungen zu untersuchen, um die obige Frage ohne ‚Verschmutzung‘ durch vorturbulente Phasen beantworten zu können, die in der Natur nicht so isoliert beobachtet werden könnten (in Simulationen jedoch notwendigerweise auftreten).“

Das Hauptziel der jüngsten Arbeit von Bacchini und seinen Kollegen bestand im Wesentlichen darin, eine effiziente Strategie zur Beseitigung von Vorturbulenzeffekten zu finden, sodass sie mit ihren Simulationen die Beschleunigung von Partikeln in der Turbulenzphase gezielt messen konnten.

Sie konnten schließlich eine Methode entwickeln (basierend auf physikalisch motivierter Strahlungsdynamik), um diese Vorturbulenzeffekte zu unterdrücken. Um ihre ursprüngliche Forschungsfrage beantworten zu können, mussten sie allerdings auch die größtmöglichen physikalischen Systemgrößen erreichen.

„Wir hatten zuvor gefunden dass die Simulation der MRT in physikalischen Systemen, die zu klein sind (und insbesondere wenn sie keine Dreidimensionalität erfassen), sehr unrealistische Ergebnisse liefert“, sagte Bacchini.

„Wenn beispielsweise die Systemgröße zu klein ist, entwickelt das MRT nicht einmal Turbulenzen. Daher brauchten wir extrem große 3D-Simulationsboxen, viel größer als alles, was zuvor erreicht wurde. Dies setzte einen Simulationscode voraus, der derart große Simulationen über einen sehr langen Zeitraum ausführen konnte, und dann mussten die Simulationen tatsächlich auf einem geeigneten Supercomputer ausgeführt werden.“

Bacchini und seine Kollegen ließen ihren Computercode mehrere Wochen lang sehr effizient auf über 250.000 CPUs in der Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) laufen. Dadurch konnten sie ein System simulieren, das groß genug war, um die MRT-Dynamik realistisch zu reproduzieren.

„Die MRT wurde zuvor mit ‚Fluid‘-Ansätzen simuliert“, sagte Bacchini. „Diese theoretischen Modelle sind aufschlussreich, um großflächige Plasmaphänomene zu erfassen, aber sie enthalten keine Informationen über einzelne Partikel (und können daher nicht zur Beantwortung der obigen Frage verwendet werden).

„Für unsere Zwecke mussten wir die MRT mit einem ‚kinetischen‘ Ansatz simulieren, also die Dynamik einzelner Teilchen erfassen. Um realistisch zu bleiben, mussten wir außerdem viele Teilchen (in der Größenordnung von 50 Milliarden) über einen sehr langen Zeitraum entwickeln.“

Den Forschern gelang es so, eine grundlegende Beschreibung der Entwicklung der MRT zu erhalten. Diese Beschreibung, die sowohl das Verhalten großräumiger Flüssigkeiten als auch Phänomene auf Partikelebene umriss, half ihnen letztlich bei der Beantwortung ihrer Forschungsfrage.

Bacchini und seine Kollegen konnten direkt nachweisen, dass Partikel in MRI-getriebener Plasmaturbulenz tatsächlich beschleunigt werden können, unabhängig von den anfänglichen Simulationsbedingungen. In ihren Simulationen beobachteten sie, dass Partikel zunächst bei relativ niedrigen Energien begannen, vergleichbar mit denen des auf der Erde üblichen Plasmas, dann aber extrem hohe Energien erreichten, bei denen relativistische Effekte ins Spiel kommen.

„Grundsätzlich erreichen diese Teilchen Geschwindigkeiten, die sehr nahe an der Lichtgeschwindigkeit liegen“, sagte Bacchini. „Die für diese Beschleunigung benötigte Energie stammt aus Magnetfeldern, die ihren Energiespeicher über die von uns modellierte turbulente Kaskade zerstreuen.“

„Es wird allgemein angenommen, dass in großflächigen Magnetfeldern um Schwarze Löcher herum enorme Energiemengen gespeichert sind. Diese Magnetfelder können durch Prozesse wie die MRI erzeugt und verstärkt werden, indem sie sich von der Gravitationsenergie des Schwarzen Lochs ernähren.

„Unsere Arbeit zeigt im Wesentlichen, dass diese magnetische und Gravitationsenergie angezapft werden kann, was zu hochenergetischen Teilchen führt, die durch MRI-getriebene Turbulenzen beschleunigt werden.“

Bei den von Bacchini und seinen Kollegen simulierten, bemerkenswert hohen Energien können Teilchen anfangen, Strahlung (also Photonen) auszusenden, die mit speziellen Instrumenten beobachtet werden könnte. Einige Physiker haben vorgeschlagen, dass dies die Art von Strahlung ist, die das Event Horizon Telescope um einige supermassive Schwarze Löcher, darunter M87*, aufgefangen hat.

„Wir haben die bis dato größten MRT-Simulationen mit kinetischen Beschreibungen durchgeführt, die auch zeigen, wie die kinetische Dynamik die der Flüssigkeit in ausreichend großen Maßstäben reproduziert“, sagte Bacchini. „Wir haben in dieser Richtung Diagnosen durchgeführt und dabei zum Beispiel beobachtet, dass die Teilchenbeschleunigung entlang oder quer zur Richtung des lokalen Magnetfelds stark zur Umverteilung des Drehimpulses im gesamten turbulenten Plasma beiträgt.“

„Dies hilft uns zu verstehen, wie ‚Akkretionsströme‘ (also Plasmaströme, die spiralförmig um Schwarze Löcher kreisen und langsam in sie hineinfallen) existieren können, da die Akkretion selbst die Existenz von Mechanismen zur Umverteilung des Drehimpulses impliziert.“

Zwar konnten große Teleskope auf der Erde in den letzten Jahren Strahlung um Schwarze Löcher herum registrieren, doch ihr Ursprung ist noch immer nicht vollständig verstanden. Die Simulationen dieses Forscherteams könnten zum Verständnis beitragen, wie diese Strahlung in der unmittelbaren Umgebung von Schwarzen Löchern entsteht.

„Das Verständnis dieser Emission ist äußerst wichtig, da Strahlung (Licht) Informationen über diese extremen Umgebungen enthält und eine der wenigen Informationsquellen ist, die wir über sie haben. (Wir können nicht wirklich Sonden zu Schwarzen Löchern schicken, da es in der Nähe der Erde keine Schwarzen Löcher gibt…)“, erklärte Bacchini.

„Noch wichtiger ist jedoch, dass wir durch das Verständnis der Plasmadynamik und der daraus resultierenden Strahlung in der Nähe eines Schwarzen Lochs Informationen über das Schwarze Loch selbst, seine Masse, seinen Spin usw. erhalten können, die alle die Plasmadynamik beeinflussen und die wir in Simulationen berücksichtigen.“

Die von Bacchini und seinen Kollegen angewandte Methode könnte das Verständnis der Plasmadynamik und -strahlung in der Umgebung von Schwarzen Löchern verbessern und es Physikern ermöglichen, Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie indirekt zu testen. Zuvor muss das Team jedoch noch verschiedene andere Simulationen durchführen.

„Bei diesen Durchläufen wurden eine Reihe von Vereinfachungen vorgenommen, um sie durchführbar zu machen“, sagte Bacchini. „Vor allem haben wir der Einfachheit halber angenommen, dass die Plasmazusammensetzung aus Paaren besteht (Elektronen und Positronen, die die gleiche Masse haben). Dadurch können wir immer noch die korrekte globale Dynamik ermitteln und die Teilchenbeschleunigung bis zu einem gewissen Grad untersuchen, aber in realistischen Systemen muss man stattdessen die Anwesenheit von Elektronen und (viel) massereicheren Protonen berücksichtigen.“

„Dies erhöht den erforderlichen Rechenaufwand um Größenordnungen, da Teilchen unterschiedlicher Masse kinetische Phänomene auf unterschiedlichen räumlichen und zeitlichen Skalen verursachen und man alle diese Skalen in einer Simulation erfassen muss.“

Bacchinis Gruppe an der KU Leuven arbeitet derzeit an weiteren und größeren Simulationsläufen, die auch Elektronen und Protonen einschließen. Sie hoffen, dass diese Simulationen es ihnen bald ermöglichen werden, ihre ursprüngliche Forschungsfrage, die sich auf die Beschleunigung von Teilchen in Turbulenzen in der Nähe von Schwarzen Löchern bezieht, mit noch größerer Genauigkeit zu beantworten.

„Andere mögliche Richtungen für künftige Forschung sind die direkte Einbeziehung von Strahlungsprozessen (die die Plasmadynamik selbst verändern können) in unsere Simulationen und die Einbeziehung der Schichtung (im Wesentlichen unter Berücksichtigung, dass Plasma seine Dichte von der Äquatorebene des Schwarzen Lochs weg ändert)“, fügte Bacchini hinzu.

„Letzteres wurde zum ersten Mal erforscht in eine aktuelle Arbeit unter der Leitung von Kollaborateuren in Chile, und es bleibt noch viel zu tun.“

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