Черные дыры - одна из самых удивительных и загадочных сил во Вселенной. Первоначально предсказанные теорией общей теории относительности Эйнштейна, эти точки в пространстве-времени образуются, когда массивные звезды подвергаются гравитационному коллапсу в конце своей жизни. Несмотря на десятилетия исследований и наблюдений, мы еще многое не знаем об этом явлении.
Например, ученые все еще в значительной степени находятся в неведении относительно того, как ведет себя материя, которая падает на орбиту вокруг черной дыры и постепенно подается на нее (аккреционные диски). Благодаря недавнему исследованию, в котором международная команда исследователей провела наиболее детальное моделирование черной дыры на сегодняшний день, ряд теоретических предсказаний, касающихся аккреционных дисков, наконец-то были подтверждены.
В состав группы входили специалисты по вычислительной астрофизике из Амстердамского университета, Институт астрономии им. Антона Паннекука, Центр междисциплинарных исследований и исследований в астрофизике Северо-Западного университета и Оксфордский университет. Их результаты исследований появились в выпуске журнала от 5 июня Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества.
Среди полученных результатов команда подтвердила теорию, первоначально выдвинутую в 1975 году Джеймсом Бардином и Якобусом Петтерсоном, которая стала известна как эффект Бардина-Петтерсона. В соответствии с этой теорией команда обнаружила, что, хотя внешняя область аккреционного диска будет оставаться наклонной, внутренняя область диска будет совмещена с экватором его черной дыры.
Проще говоря, почти все, что исследователи знают о черных дырах, было изучено путем изучения аккреционных дисков. Без этих ярких колец газа и пыли маловероятно, что ученые смогут обнаружить черные дыры. Более того, рост и скорость вращения черной дыры также зависят от ее аккреционного диска, что делает их изучение необходимым для понимания эволюции и поведения черных дыр.
Как Александр Чеховской,
С тех пор, как Бардин и Петтерсон предложили свою теорию, симуляции черной дыры страдают от ряда проблем, которые не позволяют им определить, имеет ли место это выравнивание. Прежде всего, когда аккреционные диски приближаются к горизонту событий, они разгоняются до огромных скоростей и движутся через искривленные области пространства-времени.
Вторая проблема, которая еще более усложняет ситуацию, заключается в том, что вращение черной дыры заставляет пространство-время вращаться вокруг нее. Обе эти проблемы требуют, чтобы астрофизики учитывали эффекты общей теории относительности, но остается проблема магнитной турбулентности. Эта турбулентность заставляет частицы диска удерживаться вместе в круглой форме и
До сих пор астрофизики не обладали вычислительной мощностью, чтобы объяснить все это. Чтобы разработать надежный код, способный выполнять моделирование, учитывающее GR и магнитную турбулентность, команда разработала код, основанный на графических процессорах (GPU). По сравнению с обычными центральными процессорами (ЦП), графические процессоры гораздо более эффективны при обработке изображений и алгоритмах вычислений, которые обрабатывают большие объемы данных.
Команда также включила метод, называемый адаптивным уточнением сетки, который экономит энергию, сосредотачиваясь только на определенных блоках, где происходит движение, и адаптируется соответствующим образом. Чтобы проиллюстрировать разницу, Чеховской сравнил графические процессоры и
«Допустим, вам нужно переехать в новую квартиру. Вам придется совершать много поездок с этим мощным Ferrari, потому что он не подходит для многих коробок. Но если бы вы могли поставить одну коробку на каждую лошадь, вы могли бы переместить все за один раз. Это ГПУ. В нем много элементов, каждый из которых медленнее, чем в процессоре, но их так много ».
Наконец, что не менее важно, команда провела свои симуляции с использованием суперкомпьютеров Blue Waters в Национальном центре суперкомпьютерных приложений (NCSA) в Университете Иллинойса в Урбане-Шампейне. Они обнаружили, что в то время как внешняя область диска может быть мозаичной, внутренняя область будет выровнена по экватору черной дыры, и плавный перекос соединит их.
В дополнение к обеспечению закрытия давней дискуссии о черных дырах и их аккреционных дисках, это исследование также показывает, что далеко продвинулась астрофизика со времен Бардина и Петтерсона. Как подытожил Мэтью Лиска, исследователь:
«Это моделирование не только решает проблему 40-летней давности, но и демонстрирует, что, вопреки типичному мышлению, можно моделировать самые светящиеся аккреционные диски в полной общей теории относительности. Это проложит путь для следующего поколения симуляций, которые, я надеюсь, решат еще более важные проблемы, связанные со светящимися аккреционными дисками ».
Команда раскрыла давнюю загадку эффекта Бардина-Петтерсона, утонув аккреционный диск до беспрецедентной степени и учтя намагниченную турбулентность, которая вызывает аккрецию диска. Предыдущие моделирования сделали существенное упрощение, просто аппроксимируя эффекты турбулентности.
Более того, предыдущие симуляции работали с утонченными дисками с минимальным отношением высоты к радиусу 0,05, в то время как наиболее интересные эффекты, замеченные Чеховским и его коллегами, имели место после утончения диска до 0,03. К их удивлению, команда обнаружила, что даже с невероятно тонкими аккреционными дисками черная дыра все еще испускала струи частиц и излучения на части скорости света (иначе говоря, релятивистские струи).
Как объяснил Чеховской, это была довольно неожиданная находка:
«Никто не ожидал, что эти диски будут производить струи при такой небольшой толщине. Люди ожидали, что магнитные поля, которые создают эти струи, просто разорвут эти действительно тонкие диски. Но они есть. И это на самом деле помогает нам разгадать тайны наблюдений ».
Учитывая все недавние находки, сделанные астрофизиками в отношении черных дыр и их аккреционных дисков, можно сказать, что мы живем во втором «золотом веке относительности». И не будет преувеличением сказать, что научные результаты всех этих исследований могут быть огромными. Понимая, как материя ведет себя в самых экстремальных условиях, мы становимся все ближе к пониманию того, как фундаментальные силы Вселенной сочетаются друг с другом.
