пространство

Най-точните модели на черни дупки ни позволиха да решим почти половин век от тяхната природа

Оттогава са минали около два месецаУчените са разкрили на света първата истинска снимка на черна дупка, но астрономите изучават тези мистериозни обекти повече от век. Съвременен изследователски метод: усъвършенствано компютърно моделиране, позволяващо визуализиране на черни дупки с безпрецедентно ниво на детайлност, което никой от наличните за човечеството телескопи все още не може да посочи. Наскоро международен екип от учени създаде най-подробните компютърни модели на черна дупка и с помощта на тях се оказа почти половин век загадка, свързана с природата на акреционните дискове - материя, която в крайна сметка попада в черна дупка.

Резултатите от симулациите се провеждат отАстрофизиците от университетите в Амстердам, Оксфорд и Северозападния университет показват, че вътрешната област на акреционния диск е разположена в екваториалната равнина на черната дупка, се казва в прессъобщение, публикувано на уебсайта на Северозападния университет (САЩ).

Вълшебната загадка от черни дупки

Тяхното откритие решава първоначално описаната загадкафизик и нобелов лауреат Джон Бардин и астрофизик Якоб Петтерсън през 1975 година. По това време учените казват, че вихровата част на черната дупка трябва да принуди вътрешния регион на наклонения диск да се позиционира в екваториалната равнина на черната дупка.

Това откритие открива първоначално загадкатаописани от физика и Нобеловия лауреат Джон Бардин и астрофизика Якоб Петтерсън през 1975 г. Тогава Бардин и Петтерсън заявиха, че вихровата част на черната дупка трябва да принуди вътрешния регион на наклонения диск да се позиционира в екваториалната равнина на черната дупка.

След десетилетия на търсене на доказателства за ефектаНовото моделиране на Бардин-Питърсън от международен екип от изследователи направи възможно да се определи, че въпреки че външната област на акреционния диск остава наклонена, вътрешната й област се адаптира към екваториалната равнина на черната дупка. Екипът от учени стигна до това, като намали дебелината на акреционния диск до безпрецедентна степен и като взе предвид магнитната турбуленция, която е отговорна за натрупването на диска. Предишните модели, занимаващи се с този въпрос, бяха значително по-опростени и просто взеха предвид приблизителните ефекти на турбуленцията.

- Това е откриващо откритие на ефекта на Бардин-ПитърсънРешава въпрос, който преследва астрофизици повече от четири десетилетия ”, коментира Александър Чековски от Северозападния университет, един от съавторите на изследването.

- Тези детайли са в непосредствена близост до чернотодупките може да изглеждат незначителни, но те имат дълбоко въздействие върху това, което се случва в галактиката. Тези ефекти контролират колко бързо ще се върти черната дупка и следователно какво въздействие ще има върху цялата галактика. "

"Тези симулации не само решават 40-годишниязагадка, но също така, противно на общото мнение, докаже, че е възможно да се симулират най-ярките акреционни дискове, като се вземе предвид общата теория на относителността. По този начин ние проправихме пътя за следващото поколение симулации, които ще ни позволят да решим още по-важни проблеми с ярки акреционни дискове ”, добавя авторът на изследването Матю Лиска от Университета в Амстердам.

Защо се нуждаем от модели на черна дупка?

Почти цялото ни познание за черните дупки се основаваизучаване на техните акреционни дискове. Без тези ярки газови пръстени, прах и други остатъци от мъртви звезди, обикалящи около черни дупки, астрономите няма да могат да видят черни дупки, за да ги изследват. В допълнение, акреционните дискове контролират растежа и скоростта на въртене на черните дупки, така че разбирането на тяхната природа е от решаващо значение за разбирането как се развиват и функционират черните дупки.

От дните на Бардин и Питърсън до наши днисимулацията беше твърде опростена, за да потвърди подравняването на вътрешната част на диска. В компютрите астрономите срещат две ограничения. Първо се оказа, че акреционните дискове се приближават толкова близо до дупка, че се движат в извито пространство-време, което пада с голяма скорост в черна дупка. В допълнение, въртящата сила на черната дупка кара пространството-време да се върти след него. Правилното разглеждане на двата ключови ефекта изисква общата теория на относителността на Айнщайн, която предсказва как обектите влияят върху геометрията на пространството-време около тях.

На второ място, на разположение на учените не е билоИма достатъчно изчислителна мощност за отчитане на магнитни турбуленции или смущения вътре в акреционния диск. Тези смущения позволяват частиците на диска да се слепят и да запазят кръгла форма, което в крайна сметка позволява на газовия диск да потъне в черна дупка.

- Представете си, че имате този тънък диск. Вашата задача е да разделяте турбулентните потоци вътре в диска. Това наистина е предизвикателство, ”казва Чековски.

Без възможност за разделяне на тези части, астрофизиците не можеха да моделират реалистични черни дупки.

Симулация на черна дупка

Разработване на компютърен кодЗа моделиране на наклонени дискове за натрупване около черни дупки, Лиска и Чековски използваха графики (GPU) вместо централни процесори. Изключително ефективна при създаването на компютърна графика и обработка на изображения, графичните процесори ускоряват създаването на изображения на екрана. В сравнение с процесорите, те са много по-ефективни в изчислителните алгоритми, които обработват огромни количества данни.

Чековски сравнява GPU с 1000 коня и CPU с Ferrari с мощност от 1000 конски сили.

- Представете си, че се премествате в нов апартамент. Ще трябва много пъти да пътувате от Вашия апартамент до Ferrari, защото не пасва много на багаж. Но ако можеш да сложиш една кутия на всяка от хиляда коне, можеш да пренесеш всички неща едновременно. Това е силата на видеокартата. Той има много компоненти, всяка от които е по-бавна от CPU, но има много такива, ”обяснява Chekovsky.

Освен това, добавя Лиска, за своите измерванияТе използват метода на адаптивно смилане на изчислителната мрежа, която използва динамична решетка, която се променя и адаптира към потока на движение по време на симулацията. Този метод ви позволява да пестите енергия и компютърни ресурси, като се фокусирате само върху определени блокове от мрежата, където, всъщност, има движения на потоци.

Изследователите посочват, че използванетоГрафичните процесори позволяват да се ускори симулацията и използването на адаптивна мрежа - за да се увеличи резолюцията на тази симулация. В крайна сметка учените успяха да създадат модели на много тънки акреционни дискове с коефициент на височина до радиус от 0,03. Моделирайки такъв тънък диск, изследователите бяха в състояние да видят уравнението на равнината на акреционния диск близо до черната дупка.

„Най-тънките моделирани дискове имаха височина до радиус от около 0,05 и се оказа, че интересни неща се случват само при 0.03,” казва Чековски.

Астрономите отбелязват, че дори при такива тънки дискове черните дупки все още излъчват силни струи от частици и радиация.

</ P>

„Никой не очакваше да види такива тънки дисковеможе да хвърля струи. Всички очаквали, че магнитните полета, които създават тези потоци, биха разкъсали тези тънки дискове, и въпреки това те все още са там, и благодарение на това можем да решим тези наблюдателни загадки ”, казва Чековски.

Можете да обсъдите статията в нашия чат.