Czarne dziury były niekończącym się źródłem fascynacji, odkąd Teoria ogólnej teorii względności Einsteina przewidziała ich istnienie. W ciągu ostatnich 100 lat badania czarnych dziur znacznie się rozwinęły, ale podziw i tajemnica tych obiektów pozostaje. Na przykład naukowcy zauważyli, że w niektórych przypadkach czarne dziury mają potężne strumienie naładowanych cząstek emanujących z nich, które trwają przez miliony lat świetlnych.
Te „relatywistyczne dżety” - tak nazwane, ponieważ napędzają naładowane cząstki o ułamek prędkości światła - od lat intrygują astronomów. Ale dzięki niedawnym badaniom przeprowadzonym przez międzynarodowy zespół naukowców uzyskano nowy wgląd w te dżety. Zgodnie z ogólną teorią względności naukowcy wykazali, że strumienie te stopniowo wyprzedzają (tj. Zmieniają kierunek) w wyniku wciągnięcia czasoprzestrzeni w obrót czarnej dziury.
Ich badanie, zatytułowane „Formowanie precesujących dysz przez przechylane dyski z czarną dziurą w trójwymiarowych ogólnych relatywistycznych symulacjach MHD”, pojawiło się niedawno w Miesięczne zawiadomienia Royal Astronomical Society. Zespół składał się z członków Centrum Interdyscyplinarnych Badań i Badań Astrofizyki (CIERA) na Northwestern University.
Na potrzeby badań zespół przeprowadził symulacje z wykorzystaniem superkomputera Blue Waters na University of Illinois. Przeprowadzone przez nich symulacje były pierwszymi modelami zachowania relatywistycznych dżetów pochodzących z Supermassive Black Holes (SMBH). Dzięki prawie miliardowi komórek obliczeniowych była to także najwyższa rozdzielczość symulacji czarnej dziury, jaką kiedykolwiek osiągnięto.
Jak wyjaśnił Alexander Tchekhovskoy, asystent profesora fizyki i astronomii w Weinberg College of Arts and Sciences w najnowszym komunikacie prasowym Northwestern Now:
„Zrozumienie, w jaki sposób obracające się czarne dziury przeciągają wokół nich czasoprzestrzeń i jak ten proces wpływa na to, co widzimy przez teleskopy, pozostaje kluczową, trudną do złamania łamigłówką. Na szczęście przełomy w rozwoju kodu i skok w architekturze superkomputerów przybliżają nas do znalezienia odpowiedzi ”.
Podobnie jak wszystkie Supermasywne Czarne Dziury, szybko wirujące SMBH regularnie pochłaniają (aka. Akretują) materię. Jednak szybko wirujące czarne dziury są również znane ze sposobu, w jaki emitują energię w postaci dżetów relatywistycznych. Materia, która zasila te czarne dziury, tworzy wokół nich obracający się dysk - alias. dysk akrecyjny - który charakteryzuje się gorącymi, pod napięciem liniami gazu i pola magnetycznego.
Obecność tych linii pola pozwala czarnym dziurom napędzać energię w postaci tych dżetów. Ponieważ dżety te są tak duże, łatwiej je badać niż same czarne dziury. Czyniąc to, astronomowie są w stanie zrozumieć, jak szybko zmienia się kierunek tych dżetów, co ujawnia pewne rzeczy związane z obrotem samych czarnych dziur - takie jak orientacja i rozmiar obracających się dysków.
Zaawansowane symulacje komputerowe są niezbędne, jeśli chodzi o badanie czarnych dziur, głównie dlatego, że nie można ich zaobserwować w świetle widzialnym i zwykle są bardzo daleko. Na przykład najbliższa SMBH od Ziemi to Strzelec A *, który znajduje się w odległości około 26 000 lat świetlnych w centrum naszej galaktyki. Jako takie, symulacje są jedynym sposobem ustalenia, jak działa bardzo złożony system, taki jak czarna dziura.
W poprzednich symulacjach naukowcy działali przy założeniu, że dyski z czarną dziurą były wyrównane. Jednak stwierdzono, że większość SMBH ma przechylone dyski - tj. Dyski obracają się wokół oddzielnej osi niż sama czarna dziura. Badanie to było zatem przełomowe, ponieważ wykazało, w jaki sposób dyski mogą zmieniać kierunek w stosunku do swojej czarnej dziury, prowadząc do wcześniejszych dżetów, które okresowo zmieniają kierunek.
Nie było to wcześniej znane ze względu na niewiarygodnie dużą moc obliczeniową potrzebną do stworzenia trójwymiarowych symulacji regionu otaczającego szybko wirującą czarną dziurę. Dzięki wsparciu z grantu National Science Foundation (NSF) zespół był w stanie to osiągnąć, korzystając z Blue Waters, jednego z największych superkomputerów na świecie.
Dysponując tym superkomputerem, zespół był w stanie skonstruować pierwszy kod symulacyjny czarnej dziury, który przyspieszyli za pomocą procesorów graficznych (GPU). Dzięki tej kombinacji zespół był w stanie przeprowadzić symulacje, które miały najwyższy kiedykolwiek osiągnięty poziom rozdzielczości - tj. Blisko miliarda komórek obliczeniowych. Jak wyjaśnił Tchekhovskoy:
„Wysoka rozdzielczość pozwoliła nam po raz pierwszy upewnić się, że turbulentne ruchy dysku na małą skalę są dokładnie rejestrowane w naszych modelach. Ku naszemu zdziwieniu, ruchy te okazały się tak silne, że spowodowały, że dysk się spłaszcził, a precesja dysku zatrzymała się. To sugeruje, że precesja może nastąpić w seriach. ”
Precesja dżetów relatywistycznych może wyjaśnić, dlaczego w przeszłości obserwowano fluktuacje światła pochodzące z czarnych dziur - które są znane jako oscylacje quasi-okresowe (QPO). Wiązki te, które zostały po raz pierwszy odkryte przez Michiela van der Klisa (jednego ze współautorów badania), działają w taki sam sposób, jak wiązki kwazara, które wydają się mieć efekt stroboskopowy.
To badanie jest jednym z wielu prowadzonych na obracających się czarnych dziurach na całym świecie, których celem jest lepsze zrozumienie ostatnich odkryć, takich jak fale grawitacyjne, które są spowodowane połączeniem czarnych dziur. Badania te są również stosowane do obserwacji z Event Horizon Telescope, który uchwycił pierwsze zdjęcia cienia Strzelca A *. To, co ujawnią, z pewnością ekscytuje i zadziwia oraz potencjalnie pogłębia tajemnicę czarnych dziur.
W minionym stuleciu badania czarnych dziur znacznie się rozwinęły - od czysto teoretycznego, poprzez pośrednie badania wpływu, jaki wywierają na otaczającą materię, po badania samych fal grawitacyjnych. Być może któregoś dnia będziemy w stanie studiować je bezpośrednio lub (jeśli nie ma zbyt wiele nadziei) zajrzeć bezpośrednio do nich!
