Pesta lubang hitam yang pesat mengejutkan para ilmuwan

Penelitian baru mengungkapkan bahwa lubang hitam supermasif memakan materi di sekitarnya lebih cepat dari perkiraan sebelumnya. Wawasan ini, yang diperoleh dari simulasi resolusi tinggi, dapat menjelaskan mengapa quasar terbakar dan menghilang begitu cepat.

baru Universitas Barat LautPenelitian yang dipimpinnya mengubah cara ahli astrofisika memahami kebiasaan makan lubang hitam supermasif.

Sementara para peneliti sebelumnya berasumsi bahwa lubang hitam makan dengan lambat, simulasi baru menunjukkan bahwa lubang hitam menutupi makanan jauh lebih cepat dibandingkan pemahaman konvensional.

Studi ini dipublikasikan pada 20 September itu Jurnal Astrofisika.

Wawasan simulasi

Menurut simulasi 3D resolusi tinggi yang baru, lubang hitam yang berputar membengkokkan ruangwaktu di sekitarnya, akhirnya merobek pusaran gas (atau piringan akresi) yang mengelilingi dan memberi makan mereka. Ini memecah disk menjadi sub-disk internal dan eksternal. Lubang hitam pertama-tama melahap cincin bagian dalam. Puing-puing dari sub-cakram bagian luar kemudian tumpah ke dalam untuk mengisi celah yang ditinggalkan oleh cincin bagian dalam yang telah habis dikonsumsi, dan proses makan diulangi.

Satu siklus dari proses makan-mengisi ulang tanpa henti ini hanya membutuhkan waktu berbulan-bulan – sebuah skala waktu yang sangat cepat dibandingkan dengan ratusan tahun yang sebelumnya disarankan oleh para peneliti.

Penemuan baru ini dapat membantu menjelaskan perilaku dramatis beberapa objek paling terang di langit malam, termasuk quasar, yang tiba-tiba menyala dan kemudian menghilang tanpa penjelasan.

Simulasi ini menunjukkan bagaimana piringan akresi lubang hitam supermasif dapat terpecah menjadi dua sub-cakram, yang tidak sejajar pada gambar ini. Kredit: Nick Kaz/Universitas Northwestern

“Teori piringan akresi klasik memperkirakan bahwa piringan berevolusi secara perlahan,” kata Nick Kaz dari Northwestern University, yang memimpin penelitian tersebut. “Tetapi beberapa quasar – yang dihasilkan oleh lubang hitam yang memakan gas dari piringan akresinya – tampak berubah secara radikal dari waktu ke waktu selama berbulan-bulan hingga bertahun-tahun. Perbedaan ini cukup dramatis. Bagian dalam piringan, tempat sebagian besar cahaya berasal, tampaknya akan hancur.” Kemudian ia akan beregenerasi. Teori piringan akresi klasik tidak dapat menjelaskan perbedaan drastis ini. Namun fenomena yang kita lihat dalam simulasi dapat menjelaskannya. Pencerahan dan peredupan yang cepat ini konsisten dengan penghancuran bagian dalam piringan tersebut.

Kaz adalah mahasiswa pascasarjana astronomi di Sekolah Tinggi Seni dan Sains Weinberg Universitas Northwestern, dan anggota Pusat Eksplorasi dan Penelitian Interdisipliner Astrofisika (CIERA). Kaz menjadi penasihat rekan penulis makalah Alexander Chekhovskoy, seorang profesor fisika dan astronomi Weinberg dan anggota CIERA.

Asumsi yang salah

Cakram akresi yang mengelilingi lubang hitam adalah objek yang secara fisik kompleks, sehingga sangat sulit untuk dimodelkan. Teori tradisional telah berjuang untuk menjelaskan mengapa cakram-cakram ini bersinar terang dan kemudian tiba-tiba redup, terkadang sampai menghilang sama sekali.

Peneliti sebelumnya salah berasumsi bahwa piringan akresi relatif terorganisir. Dalam model ini, gas dan partikel berputar Lubang hitam – Pada bidang yang sama dengan lubang hitam dan searah putaran lubang hitam. Kemudian, dalam jangka waktu ratusan hingga ratusan ribu tahun, molekul gas secara bertahap berputar ke dalam lubang hitam untuk memberinya makan.

“Bagaimana gas sampai ke lubang hitam untuk dijadikan sumber energi adalah pertanyaan utama dalam fisika piringan akresi. Jika Anda mengetahui bagaimana hal itu terjadi, maka hal ini akan memberi tahu Anda berapa lama piringan tersebut bertahan, seberapa terangnya, dan seperti apa cahaya yang seharusnya muncul saat itu.” kami mengamatinya dengan teleskop.”
-Nick Kaz, penulis utama

“Selama beberapa dekade, orang-orang telah membuat asumsi yang cukup besar bahwa piringan akresi berhubungan dengan rotasi lubang hitam,” kata Kaz. “Tetapi gas yang memberi makan lubang hitam ini belum tentu mengetahui ke arah mana lubang hitam itu berputar, jadi mengapa lubang hitam itu otomatis sejajar? Mengubah arah akan mengubah gambaran secara radikal.”

Simulasi para peneliti, yang merupakan salah satu simulasi piringan akresi dengan resolusi tertinggi hingga saat ini, menunjukkan bahwa wilayah di sekitar lubang hitam adalah tempat yang jauh lebih kacau dan bergejolak daripada yang diperkirakan sebelumnya.

Lebih mirip giroskop, kurang seperti lukisan

Dengan menggunakan Summit, salah satu superkomputer terbesar di dunia yang terletak di Laboratorium Nasional Oak Ridge, para peneliti melakukan simulasi 3-D general magnetohydrodynamic (GRMHD) dari piringan akresi yang tipis dan miring. Meskipun simulasi sebelumnya tidak cukup kuat untuk mencakup semua fisika yang diperlukan untuk membangun lubang hitam yang realistis, model yang dipimpin oleh Northwestern menggabungkan dinamika gas, medan magnet, dan relativitas umum untuk menghasilkan gambaran yang lebih lengkap.

“Lubang hitam adalah objek relativistik umum ekstrem yang memengaruhi ruangwaktu di sekitarnya,” kata Kaz. “Jadi, saat ia berputar, ia menarik ruang di sekitarnya seperti komidi putar raksasa dan memaksanya untuk berputar juga — sebuah fenomena yang disebut ‘frame drag’. Hal ini menciptakan efek yang sangat kuat di dekat lubang hitam, yang menjadi semakin melemah. lebih jauh lagi.”

Menarik bingkai akan membuat seluruh cakram bergoyang membentuk lingkaran, serupa dengan gerakan giroskop. Namun piringan bagian dalam ingin bergoyang lebih cepat dibandingkan bagian luarnya. Ketidaksesuaian gaya ini menyebabkan seluruh piringan melengkung, menyebabkan gas dari berbagai bagian piringan bertabrakan. Tabrakan tersebut menciptakan guncangan terang yang dengan keras mendorong material semakin dekat ke lubang hitam.

Ketika puntiran menjadi lebih parah, wilayah yang lebih dalam dari piringan akresi terus berosilasi semakin cepat hingga terpisah dari bagian piringan lainnya. Kemudian, menurut simulasi baru, subdisk mulai berevolusi secara independen satu sama lain. Alih-alih bergerak mulus seperti pelat datar yang mengelilingi lubang hitam, subdisk tersebut bergoyang secara independen dengan kecepatan dan sudut berbeda seperti roda pada giroskop.

“Saat cakram bagian dalam pecah, ia akan bergerak dengan sendirinya,” kata Kaz. “Ia bergerak lebih cepat karena lebih dekat dengan lubang hitam dan karena ukurannya lebih kecil, sehingga lebih mudah untuk bergerak.”

“Di mana lubang hitam menang”

Menurut simulasi baru, zona pecah – tempat subdisk dalam dan luar terpisah – adalah tempat kegilaan makan sebenarnya dimulai. Ketika gesekan mencoba untuk menyatukan piringan, pembengkokan ruangwaktu oleh lubang hitam yang berputar ingin memisahkannya.

“Ada persaingan antara rotasi lubang hitam dan gesekan serta tekanan di dalam piringan,” kata Kaz. “Zona pecah adalah tempat lubang hitam menang. Cakram dalam dan luar saling bertabrakan. Cakram luar mengikis lapisan cakram dalam, mendorongnya ke dalam.”

Sekarang sub-disk berpotongan pada sudut yang berbeda. Cakram bagian luar menuang material ke atas cakram bagian dalam. Massa ekstra ini juga mendorong cakram bagian dalam menuju lubang hitam, tempat ia dimakan. Gravitasi lubang hitam kemudian menarik gas dari wilayah luar menuju wilayah dalam yang sekarang kosong untuk mengisinya kembali.

Kontak quasar

Siklus makan, kenyang, dan makan yang cepat ini kemungkinan besar menjelaskan apa yang disebut “penampakan variabel” quasar, kata Kaz. Quasar adalah objek yang sangat terang yang memancarkan energi 1.000 kali lebih banyak daripada energi totalnya Bima Sakti200 miliar hingga 400 miliar bintang. Quasar dengan penampakan variabel dianggap lebih ekstrim. Mereka tampak hidup dan mati selama beberapa bulan, yang merupakan periode waktu yang singkat untuk quasar pada umumnya.

Meskipun teori klasik membuat asumsi tentang seberapa cepat piringan akresi berevolusi dan berubah kecerahannya, pengamatan terhadap quasar dengan penampakan yang bervariasi menunjukkan bahwa piringan tersebut sebenarnya berevolusi jauh lebih cepat.

“Wilayah bagian dalam piringan akresi, tempat sebagian besar kecerahan berasal, bisa hilang sepenuhnya – dengan sangat cepat, dalam beberapa bulan,” kata Kaz. “Kami melihatnya hilang sama sekali. Sistem berhenti bersinar. Lalu menyala lagi dan prosesnya berulang. Teori konvensional tidak bisa menjelaskan mengapa ia menghilang, juga tidak menjelaskan bagaimana ia terisi ulang begitu cepat.”

Simulasi baru ini tidak hanya dapat menjelaskan quasar, tetapi juga dapat menjawab pertanyaan terus-menerus tentang sifat misterius lubang hitam.

“Bagaimana gas sampai ke lubang hitam untuk memberinya makan adalah pertanyaan utama dalam fisika piringan akresi,” kata Kaz. “Jika Anda mengetahui bagaimana hal ini terjadi, hal ini akan memberi tahu Anda berapa lama piringan tersebut bertahan, seberapa terangnya, dan seperti apa cahaya yang seharusnya kita amati dengan teleskop.”

Referensi: “Guncangan nosel, robekan disk, dan streamer menyebabkan pertambahan cepat dalam simulasi 3D GRMHD pada disk tipis yang dipelintir” oleh Nicholas Kaz, Matthew T. B. Leska, Jonathan Jacquemin Eade, Zachary L. Andalman, Jeboa Mosuki, Aleksandr Chekhovskoy, dan Oliver Borth , 20 September 2023, Jurnal Astrofisika.
doi: 10.3847/1538-4357/ace051

Studi ini didukung oleh Departemen Energi AS dan National Science Foundation.