Najnowsze badania koncentrują się na obszarze znajdującym się tuż przed horyzontem zdarzeń – tej granicy, po przekroczeniu której nawet światło nie może już uciec. To właśnie tam, w ekstremalnych warunkach, rozgrywają się procesy zmuszające naukowców do aktualizacji dotychczasowych założeń. Andrew Chael z Princeton University wraz z zespołem naukowców analizujących dane z Teleskopu Horyzontu Zdarzeń (Event Horizon Telescope Collaboration) opracował nowatorskie podejście do modelowania tego środowiska.
Rewolucyjna metoda symulacji
Kluczem okazało się odejście od tradycyjnego traktowania plazmy jako jednorodnego płynu. Zamiast tego naukowcy osobno modelowali zachowanie elektronów i protonów, co pozwoliło uchwycić subtelne interakcje między tymi cząstkami. Wykorzystano do tego potężne moce obliczeniowe superkomputerów Stampede2 i Stampede3 w Texas Advanced Computing Center. Symulacje uwzględniają zarówno ekstremalne zakrzywienie czasoprzestrzeni, jak i złożoną dynamikę pól magnetycznych w pobliżu czarnej dziury.
Czytaj także: Kosmiczny rozbłysk przy czarnej dziurze M87. To pierwszy taki przypadek w historii
Technika interferometrii wielkobazowej (Very Long Baseline Interferometry), stosowana przez Teleskop Horyzontu Zdarzeń (Event Horizon Telescope), łączy obserwacje z teleskopów rozsianych po całej planecie, tworząc wirtualny instrument o rozmiarach Ziemi. Światło rejestrowane na obrazach pochodzi od elektronów poruszających się po liniach pola magnetycznego i emitujących promieniowanie synchrotronowe.
Niespodziewane wyniki pomiarów
Symulacje przyniosły zaskakujące odkrycie dotyczące temperatury elektronów w otoczeniu M87. Okazały się one znacznie wyższe, niż przewidywały dotychczasowe modele fizyczne. Co ciekawe, pomiary ujawniły znaczną dysproporcję – elektrony są około stukrotnie chłodniejsze od protonów. Ta rozbieżność stawia pod znakiem zapytania obecne teorie dotyczące ogrzewania cząstek w plazmie i wskazuje na luki w naszym rozumieniu fizyki ekstremalnych środowisk.
Obszar wokół horyzontu zdarzeń to miejsce, gdzie współdziałają ze sobą potężne siły grawitacji, intensywne pola magnetyczne i plazma rozgrzana do milionów stopni. Interakcje między tymi czynnikami często przebiegają w sposób trudny do przewidzenia, co wyjaśnia, dlaczego nasze modele bywają niedoskonałe.
Ewolucja obrazu czarnej dziury
Dane zbierane przez EHT na przestrzeni kilku lat pozwalają śledzić zmiany w wyglądzie M87. Badania opublikowane na początku 2025 roku wykazały, że choć rozmiar i struktura cienia czarnej dziury pozostają stabilne, nie jest to statyczny obiekt. Najjaśniejszy punkt charakterystycznego pierścienia przesuwa się w czasie, co naukowcy wiążą z turbulentnymi ruchami plazmy w pobliżu horyzontu zdarzeń. Wysokiej rozdzielczości symulacje doskonale oddają tę złożoną dynamikę.
Warto przypomnieć, że w 2022 roku opublikowano również pierwsze zdjęcie Sagittarius A*, czarnej dziury w centrum Drogi Mlecznej. Ujawniło ono istnienie silnych i uporządkowanych pól magnetycznych, co potwierdza znaczenie tego czynnika w kształtowaniu otoczenia supermasywnych czarnych dziur.
Niezbędna rola superkomputerów
Te przełomowe badania były możliwe dzięki dostępowi do zaawansowanej infrastruktury obliczeniowej. Program ACCESS finansowany przez National Science Foundation udostępnia amerykańskim naukowcom systemy takie jak Stampede3, którego moc obliczeniowa sięga 18 petaflopów. To właśnie takie narzędzia pozwalają modelować środowiska, gdzie współwystępują zjawiska niespotykane w żadnych innych warunkach we wszechświecie.
Czytaj także: Z centrum galaktyki M87 wystrzelił długi dżet materii. Wzdłuż niego eksplodują gwiazdy
Odkrycie dotyczące temperatur elektronów w M87 pokazuje, jak wiele tajemnic wciąż skrywają czarne dziury. Rozbieżności między przewidywaniami teoretycznymi a rzeczywistymi obserwacjami sugerują, że nasze rozumienie fizyki plazmy w ekstremalnych warunkach wymaga znaczących korekt. To dobry przykład, jak nauka rozwija się właśnie dzięki takim niespodziankom – każde nowe odkrycie, nawet gdy podważa ustalone teorie, przybliża nas do pełniejszego obrazu rzeczywistości.