Forschern an der Tohoku-Universität und der Utsunomiya-Universität ist ein Durchbruch im Verständnis der komplexen Natur von Turbulenzen in sogenannten Akkretionsscheiben um Schwarze Löcher gelungen. Mit Hilfe hochmoderner Supercomputer haben sie Simulationen mit der bislang höchsten Auflösung durchgeführt.
Eine Akkretionsscheibe ist, wie der Name schon sagt, ein scheibenförmiges Gas, das sich spiralförmig nach innen in Richtung eines zentralen Schwarzen Lochs bewegt.
Es besteht großes Interesse an der Erforschung der einzigartigen und extremen Eigenschaften von Schwarzen Löchern. Schwarze Löcher lassen jedoch kein Licht entweichen und können daher von Teleskopen nicht direkt wahrgenommen werden.
Um Schwarze Löcher zu untersuchen und zu erforschen, untersuchen wir stattdessen, wie sie ihre Umgebung beeinflussen. Akkretionsscheiben sind eine Möglichkeit, die Auswirkungen von Schwarzen Löchern indirekt zu beobachten, da sie elektromagnetische Strahlung aussenden, die mit Teleskopen sichtbar ist.
„Die genaue Simulation des Verhaltens von Akkretionsscheiben trägt wesentlich zu unserem Verständnis der physikalischen Phänomene rund um Schwarze Löcher bei“, erklärt Yohei Kawazura. „Sie liefert entscheidende Erkenntnisse für die Interpretation von Beobachtungsdaten des Event Horizon Telescope.“
Die Forscher nutzten Supercomputer wie RIKENs Fugaku (bis 2022 der schnellste Computer der Welt) und NAOJs ATERUI II, um Simulationen mit beispiellos hoher Auflösung durchzuführen.
Der Studie wurde veröffentlicht in Wissenschaftliche Fortschritte am 28. August 2024.
Obwohl es bereits früher numerische Simulationen von Akkretionsscheiben gab, konnte aufgrund fehlender Rechenressourcen keine den Trägheitsbereich beobachten. Diese Studie war die erste, die den „Trägheitsbereich“, der große und kleine Wirbel in der Turbulenz von Akkretionsscheiben verbindet, erfolgreich reproduzierte.
Außerdem wurde festgestellt, dass dieser Bereich von „langsamen magnetosonischen Wellen“ dominiert wird. Diese Entdeckung erklärt, warum Ionen in Akkretionsscheiben selektiv erhitzt werden. Die turbulenten elektromagnetischen Felder in Akkretionsscheiben interagieren mit geladenen Teilchen und beschleunigen einige davon möglicherweise auf extrem hohe Energien.
In der Magnetohydrodynamik bilden Magnetoschallwellen (langsame und schnelle) und Alfvén-Wellen die grundlegenden Wellentypen. Es wurde festgestellt, dass langsame Magnetoschallwellen den Inertialbereich dominieren und etwa die doppelte Energie von Alfvén-Wellen transportieren. Die Forschung hebt auch einen grundlegenden Unterschied zwischen Akkretionsscheibenturbulenzen und Sonnenwindturbulenzen hervor, bei denen Alfvén-Wellen dominieren.
Dieser Fortschritt soll die physikalische Interpretation von Beobachtungsdaten von Radioteleskopen verbessern, die auf Regionen in der Nähe von Schwarzen Löchern gerichtet sind.
Weitere Informationen:
Yohei Kawazura et al, Trägheitsbereich magnetorotationaler Turbulenzen, Wissenschaftliche Fortschritte (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adp4965