Czarne dziury to jedna z najbardziej niesamowitych i tajemniczych sił we Wszechświecie. Pierwotnie przewidziane przez Teorię ogólnej teorii względności Einsteina, te punkty w czasoprzestrzeni powstają, gdy masywne gwiazdy ulegają zapadowi grawitacyjnemu pod koniec ich życia. Mimo dziesięcioleci badań i obserwacji wciąż nie wiemy o tym zjawisku wiele.
Na przykład naukowcy wciąż w dużej mierze nie wiedzą, jak zachowuje się materia, która wpada na orbitę wokół czarnej dziury i jest stopniowo na nią zasilana (dyski akrecyjne). Dzięki niedawnym badaniom, w których międzynarodowy zespół naukowców przeprowadził najbardziej szczegółowe symulacje czarnej dziury do tej pory, ostatecznie potwierdzono pewną liczbę teoretycznych prognoz dotyczących dysków akrecyjnych.
Zespół składał się z astrofizyków obliczeniowych z Instytutu Astronomii Uniwersytetu w Amsterdamie Anton Pannekoek, Centrum Interdyscyplinarnych Badań i Badań Astrofizyki Uniwersytetu Północno-Zachodniego (CIERA) oraz Uniwersytetu Oksfordzkiego. Ich wyniki badań pojawiły się w numerze z 5 czerwca Miesięczne zawiadomienia Royal Astronomical Society.
Wśród swoich odkryć zespół potwierdził teorię pierwotnie wysuniętą w 1975 r. Przez Jamesa Bardeen i Jacobusa Pettersona, która stała się znana jako Efekt Bardeen-Pettersona. Zgodnie z tą teorią zespół stwierdził, że podczas gdy zewnętrzny obszar dysku akrecyjnego pozostanie pochylony, wewnętrzny obszar dysku wyrówna się z równikiem czarnej dziury.
Mówiąc najprościej, studiując dyski akrecyjne, nauczyliśmy się prawie wszystkiego, co naukowcy wiedzą o czarnych dziurach. Bez tych jasnych pierścieni gazu i pyłu naukowcy nie byliby w stanie zlokalizować czarnych dziur. Co więcej, wzrost i prędkość obrotowa czarnej dziury zależą również od dysku akrecyjnego, co sprawia, że badanie ich jest niezbędne do zrozumienia ewolucji i zachowania czarnych dziur.
Jako Alexander Tchekhovskoy, an
Odkąd Bardeen i Petterson zaproponowali swoją teorię, symulacje czarnej dziury napotykały szereg problemów, które uniemożliwiły im ustalenie, czy to wyrównanie ma miejsce. Przede wszystkim, gdy dyski akrecyjne zbliżają się do Horyzontu Wydarzenia, przyspieszają do ogromnych prędkości i przemieszczają się przez wypaczone obszary czasoprzestrzeni.
Drugim problemem, który jeszcze bardziej komplikuje sprawę, jest fakt, że obrót czarnej dziury zmusza czasoprzestrzeń do wirowania wokół niej. Oba te problemy wymagają od astrofizyków uwzględnienia skutków ogólnej teorii względności, ale pozostaje kwestia turbulencji magnetycznych. Ta turbulencja powoduje, że cząstki dysku utrzymują się razem w okrągłym kształcie i
Do tej pory astrofizycy nie mieli mocy obliczeniowej, aby to wszystko wyjaśnić. Aby opracować solidny kod zdolny do przeprowadzania symulacji uwzględniających GR i turbulencje magnetyczne, zespół opracował kod oparty na graficznych jednostkach przetwarzających (GPU). W porównaniu do konwencjonalnych jednostek centralnych (CPU), procesory graficzne są znacznie bardziej wydajne w przetwarzaniu obrazu i algorytmach obliczeniowych przetwarzających duże obszary danych.
Zespół zastosował także metodę zwaną adaptacyjnym udoskonalaniem siatki, która oszczędza energię, koncentrując się tylko na określonych blokach, w których występuje ruch, i odpowiednio się dostosowuje. Aby zilustrować różnicę, Tchekhovskoy porównał procesory graficzne i
„Powiedzmy, że musisz się przeprowadzić do nowego mieszkania. Będziesz musiał odbyć wiele podróży z tym potężnym Ferrari, ponieważ nie zmieści się w wielu pudełkach. Ale jeśli umieścisz jedno pudełko na każdym koniu, możesz przenieść wszystko za jednym razem. To jest GPU. Ma wiele elementów, z których każdy jest wolniejszy niż procesor, ale jest ich tak wiele. ”
Na koniec zespół przeprowadził symulację przy użyciu superkomputerów Blue Waters w National Center for Supercomputing Applications (NCSA) na University of Illinois w Urbana-Champaign. Odkryli, że podczas gdy zewnętrzny obszar dysku może być wyłożony kafelkami, wewnętrzny obszar zostanie wyrównany z równikiem czarnej dziury i połączy je gładka osnowa.
Oprócz zapewnienia zakończenia długotrwałej debaty na temat czarnych dziur i ich dysków akrecyjnych, badania te pokazują również, że od czasów Bardeen i Pettersona nastąpił postęp astrofizyki. Jak podsumował Matthew Liska, badacz:
„Te symulacje nie tylko rozwiązują 40-letni problem, ale wykazały, że w przeciwieństwie do typowego myślenia można symulować najbardziej świecące dyski akrecyjne w pełnej ogólnej teorii względności. To toruje drogę kolejnej generacji symulacji, które, mam nadzieję, rozwiążą jeszcze ważniejsze problemy dotyczące świetlnych dysków akrecyjnych. ”
Zespół rozwiązał od dawna tajemnicę efektu Bardeen-Pettersona, przerzedzając dysk akrecyjny w niespotykanym stopniu i uwzględniając magnetyzowane turbulencje powodujące akrecję dysku. Poprzednie symulacje znacznie uprościły, przybliżając jedynie efekty turbulencji.
Co więcej, poprzednie symulacje działały z przerzedzonymi dyskami, które miały minimalny stosunek wysokości do promienia 0,05, podczas gdy najciekawsze efekty oglądane przez Tchekhovskoy i jego współpracowników występowały po przerzedzeniu dysku do 0,03. Ku ich zaskoczeniu zespół odkrył, że nawet przy niewiarygodnie cienkich dyskach akrecyjnych czarna dziura nadal emitowała strumienie cząstek i promieniowanie z częścią prędkości światła (inaczej dysze relatywistyczne).
Jak wyjaśnił Tchekhovskoy, było to raczej nieoczekiwane odkrycie:
„Nikt nie spodziewał się, że dyski te będą wytwarzane przy tak niewielkich grubościach. Ludzie spodziewali się, że pola magnetyczne wytwarzające te strumienie po prostu przedrą się przez te naprawdę cienkie dyski. Ale są. A to pomaga nam rozwiązać tajemnice obserwacyjne. ”
Biorąc pod uwagę wszystkie ostatnie znaleziska astrofizyków dotyczące czarnych dziur i ich dysków akrecyjnych, można powiedzieć, że żyjemy w drugim „Złotym wieku względności”. I nie byłoby przesadą stwierdzenie, że naukowe korzyści z wszystkich tych badań mogą być ogromne. Rozumiejąc, jak zachowuje się materia w najbardziej ekstremalnych warunkach, zbliżamy się coraz bardziej do poznania, jak podstawowe siły Wszechświata pasują do siebie.
