Черные дыры были бесконечным источником очарования с тех пор, как теория общей теории относительности Эйнштейна предсказала их существование. За последние 100 лет изучение черных дыр значительно продвинулось вперед, но благоговение и тайна этих объектов остаются. Например, ученые отметили, что в некоторых случаях из черных дыр возникают массивные струи заряженных частиц, которые распространяются на миллионы световых лет.
Эти «релятивистские джеты» - так называемые, потому что они движут заряженные частицы с малой скоростью - озадачивали астрономов годами. Но благодаря недавнему исследованию, проведенному международной группой исследователей, в этих самолетах появилось новое понимание. В соответствии с общей теорией относительности исследователи показали, что эти струи постепенно прецессируют (то есть меняют направление) в результате увлечения пространства-времени во вращение черной дыры.
Их исследование под названием «Формирование прецессирующих струй с помощью наклонных дисков с черными дырами в трехмерном общем релятивистском моделировании МГД» недавно появилось в Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества, Команда состояла из членов Центра междисциплинарных исследований и исследований в области астрофизики (CIERA) Северо-Западного университета.
Ради их исследования команда провела симуляции с использованием суперкомпьютера Blue Waters в Университете Иллинойса. Моделирование, которое они провели, было первым в мире, чтобы смоделировать поведение релятивистских струй, исходящих из сверхмассивных черных дыр (SMBH). Имея почти миллиард вычислительных ячеек, это была также симуляция аккрецирующей черной дыры с самым высоким разрешением из когда-либо достигнутых.
Александр Чеховской, доцент кафедры физики и астрономии Северо-западного колледжа искусств и наук Вайнберга, объяснил в недавнем пресс-релизе Northwestern Now:
«Понимание того, как вращающиеся черные дыры затягивают пространство-время вокруг себя, и как этот процесс влияет на то, что мы видим через телескопы, остается ключевой загадкой, которую трудно взломать. К счастью, прорывы в разработке кода и скачки в архитектуре суперкомпьютеров приближают нас к поиску ответов ».
Как и все сверхмассивные черные дыры, быстро вращающиеся SMBH регулярно поглощают (иначе говоря, аккрецируют) материю. Однако быстро вращающиеся черные дыры также известны тем, как они излучают энергию в виде релятивистских струй. Вещество, которое питает эти черные дыры, образует вращающийся диск вокруг них - иначе. аккреционный диск - который характеризуется горячими линиями газа и магнитного поля под напряжением.
Именно наличие этих силовых линий позволяет черным дырам продвигать энергию в форме этих струй. Поскольку эти джеты такие большие, их легче изучать, чем самих черных дыр. При этом астрономы могут понять, как быстро меняется направление этих струй, что позволяет узнать о вращении самих черных дыр, таких как ориентация и размер их вращающихся дисков.
Для изучения черных дыр необходимы сложные компьютерные симуляции, в основном потому, что они не наблюдаются в видимом свете и, как правило, находятся очень далеко. Например, ближайший к Земле SMBH - Стрелец A *, который расположен на расстоянии около 26 000 световых лет в центре нашей галактики. Таким образом, моделирование - это единственный способ определить, как работает такая сложная система, как черная дыра.
В предыдущих симуляциях ученые действовали в предположении, что диски черной дыры были выровнены. Однако было обнаружено, что большинство SMBH имеют наклонные диски, то есть диски вращаются вокруг отдельной оси, чем сама черная дыра. Таким образом, это исследование было оригинальным в том смысле, что оно показало, как диски могут изменять направление относительно своей черной дыры, что приводит к прецессии струй, которые периодически меняют свое направление.
Ранее это было неизвестно из-за невероятного количества вычислительной мощности, необходимой для построения трехмерного моделирования области, окружающей быстро вращающуюся черную дыру. При поддержке гранта Национального научного фонда (NSF) команда смогла достичь этого, используя Blue Waters, один из крупнейших суперкомпьютеров в мире.
Имея в своем распоряжении этот суперкомпьютер, команда смогла создать первый код симуляции черной дыры, который они ускорили с помощью графических процессоров (GPU). Благодаря этой комбинации команда смогла провести моделирование, которое имело самый высокий уровень разрешения, который когда-либо был достигнут - то есть, около миллиарда вычислительных ячеек. Как пояснил Чеховской:
«Высокое разрешение впервые позволило нам точно уловить мелкие турбулентные движения дисков в наших моделях. К нашему удивлению, эти движения оказались настолько сильными, что привели к тому, что диск стал полнее и прецессия диска прекратилась. Это говорит о том, что прецессия может произойти в очередях ».
Прецессия релятивистских джетов может объяснить, почему в прошлом наблюдались световые флуктуации вокруг черных дыр, которые известны как квазипериодические колебания (QPO). Эти лучи, которые были впервые обнаружены Michiel van der Klis (одним из соавторов исследования), работают так же, как лучи квазара, которые, похоже, имеют стробирующий эффект.
Это исследование является одним из многих, которые проводятся на вращающихся черных дырах по всему миру, цель которых состоит в том, чтобы лучше понять недавние открытия, такие как гравитационные волны, которые вызваны слиянием черных дыр. Эти исследования также применяются к наблюдениям с телескопа «Горизонт событий», который запечатлел первые изображения тени Стрельца А *. То, что они раскроют, непременно возбудит и поразит, и потенциально углубит тайну черных дыр.
В прошлом веке изучение черных дыр значительно продвинулось - от чисто теоретических до косвенных исследований воздействия, которое они оказывают на окружающую материю, до изучения самих гравитационных волн. Возможно, однажды мы действительно сможем изучить их непосредственно или (если на них не так много надеяться) заглянуть прямо в них!
