Χώρος

Τα πιο ακριβή μοντέλα μαύρων τρυπών μας επέτρεψαν να λύσουμε σχεδόν μισό αιώνα από τη φύση τους

Ήταν περίπου δύο μήνες από τότεΟι επιστήμονες έχουν αποκαλύψει στον κόσμο την πρώτη αληθινή φωτογραφία μιας μαύρης τρύπας, αλλά οι αστρονόμοι έχουν μελετήσει αυτά τα μυστηριώδη αντικείμενα για περισσότερο από έναν αιώνα. Σύγχρονη ερευνητική μέθοδος: εξελιγμένη μοντελοποίηση υπολογιστών, που επιτρέπει την απεικόνιση των μαύρων οπών με ένα πρωτοφανές επίπεδο λεπτομέρειας, το οποίο κανένας από τα τηλεσκόπια που διαθέτει η ανθρωπότητα δεν μπορεί ακόμη να επισημάνει. Πρόσφατα, μια διεθνής ομάδα επιστημόνων δημιούργησε τα πιο λεπτομερή μοντέλα ηλεκτρονικών υπολογιστών μιας μαύρης τρύπας και με τη βοήθειά τους απέδειξε ένα σχεδόν μισό αιώνα αίνιγμα που συνδέεται με τη φύση των δίσκων πρόσκτησης - που τελικά πέφτει σε μια μαύρη τρύπα.

Αποτελέσματα προσομοίωσης που πραγματοποιήθηκαν από τοΑστροφυσικοί από τα πανεπιστήμια του Άμστερνταμ, της Οξφόρδης και του Πανεπιστημίου Northwestern δείχνουν ότι η εσωτερική περιοχή του δίσκου προσαύξησης βρίσκεται στο ισημερινό επίπεδο της μαύρης τρύπας, σύμφωνα με ένα δελτίο τύπου που δημοσιεύτηκε στην ιστοσελίδα του Northwestern University (ΗΠΑ).

Το μισό αιώνα αίνιγμα των μαύρων τρυπών

Η ανακάλυψή τους λύνει το αίνιγμα που περιγράφηκε αρχικάένας φυσικός και ο βραβευμένος με Νόμπελ Τζον Μπάρντιν και ο αστροφυσικός Ιακώβ Πέτερσον το 1975. Εκείνη την εποχή, οι επιστήμονες δήλωσαν ότι το στροβιλώδες τμήμα της μαύρης τρύπας θα έπρεπε να ωθήσει την εσωτερική περιοχή του κεκλιμένου δίσκου προσαύξησης να τοποθετηθεί η ίδια στο ισημερινό επίπεδο της μαύρης τρύπας.

Αυτή η ανακάλυψη αποκαλύπτει αρχικά το γρίφοπου περιγράφεται από τον φυσικό και τον βραβευμένο με Νόμπελ Τζον Μπάρντιν και τον αστροφυσικό Ιακώβ Πεττέστον το 1975. Τότε ήταν ότι οι Bardin και Petterson δήλωσαν ότι το στροβιλώδες τμήμα της μαύρης τρύπας θα έπρεπε να αναγκάσει την εσωτερική περιοχή του κεκλιμένου δίσκου προσαύξησης να τοποθετηθεί η ίδια στο ισημερινό επίπεδο της μαύρης τρύπας.

Μετά από δεκαετίες έρευνας για την απόδειξη του αποτελέσματοςΗ νέα μοντελοποίηση του Bardeen-Peterson από μια διεθνή ομάδα ερευνητών κατέστησε δυνατή τη διαπίστωση ότι, αν και η εξωτερική περιοχή του δίσκου πρόσκτησης παραμένει κεκλιμένη, η εσωτερική του περιοχή προσαρμόζεται στο ισημερινό επίπεδο της μαύρης τρύπας. Η ομάδα των επιστημόνων ήρθε σε αυτό μειώνοντας το πάχος του δίσκου προσαύξησης σε πρωτοφανή βαθμό και λαμβάνοντας υπόψη τις μαγνητικές αναταράξεις που είναι υπεύθυνες για την αύξηση του δίσκου. Προηγούμενα μοντέλα που ασχολούνται με αυτό το θέμα ήταν σημαντικά απλούστερα και απλά έλαβαν υπόψη τις κατά προσέγγιση επιδράσεις της αναταραχής.

"Αυτή είναι μια σημαντική ανακάλυψη του εφέ Bardeen-Petersonλύει το πρόβλημα που έχει στοιχειοθετήσει αστροφυσικούς για περισσότερο από τέσσερις δεκαετίες ", σχολιάζει ο Αλέξανδρος Τσεκόφσκι από το Northwestern University, ένας από τους συν-συγγραφείς της μελέτης

"Αυτές οι λεπτομέρειες είναι πολύ κοντά στο μαύροοι τρύπες μπορεί να φαντάζουν ασήμαντες, αλλά έχουν βαθιά επίδραση στο τι συμβαίνει μέσα στον γαλαξία. Αυτά τα αποτελέσματα ελέγχουν πόσο γρήγορα θα περιστραφεί η μαύρη τρύπα και, συνεπώς, ποια θα είναι η επίδραση που θα έχει σε ολόκληρο τον γαλαξία. "

"Αυτές οι προσομοιώσεις όχι μόνο λύουν το 40χρονοένα αίνιγμα, αλλά επίσης, αντίθετα με τη γενική άποψη, αποδεικνύουν ότι είναι δυνατόν να προσομοιωθούν οι λαμπρότεροι δίσκοι προσαύξησης λαμβάνοντας υπόψη τη γενική θεωρία της σχετικότητας. Έτσι, έχουμε προετοιμάσει το δρόμο για την επόμενη γενιά προσομοιώσεων που θα μας επιτρέψουν να λύσουμε ακόμα πιο σημαντικά προβλήματα με φωτεινούς δίσκους προσθήκης ", προσθέτει ο συγγραφέας της μελέτης Matthew Liska του Πανεπιστημίου του Άμστερνταμ.

Γιατί χρειαζόμαστε μοντέλα μαύρης τρύπας;

Σχεδόν όλη η γνώση μας για τις μαύρες τρύπες βασίζεταιμελετώντας τους δίσκους προσαύξησης. Χωρίς αυτά τα φωτεινά δαχτυλίδια αερίου, σκόνη και άλλα υπολείμματα νεκρών αστεριών γύρω από τις μαύρες τρύπες, οι αστρονόμοι δεν θα μπορούν να δουν μαύρες τρύπες για να τις μελετήσουν. Επιπλέον, οι δίσκοι προσαύξησης ελέγχουν την ανάπτυξη και την ταχύτητα περιστροφής των μαύρων οπών, οπότε η κατανόηση της φύσης τους είναι ζωτικής σημασίας για την κατανόηση του τρόπου με τον οποίο εξελίσσονται και λειτουργούν οι μαύρες τρύπες.

Από τις ημέρες του Bardeen και του Peterson μέχρι σήμεραη προσομοίωση ήταν πολύ απλοϊκή για να επιβεβαιώσει την ευθυγράμμιση του εσωτερικού μέρους του δίσκου. Στον υπολογισμό, οι αστρονόμοι αντιμετώπισαν δύο περιορισμούς. Πρώτον, αποδείχθηκε ότι οι δίσκοι προσαύξησης προσεγγίζουν τόσο κοντά σε μια τρύπα που κινούνται σε ένα καμπύλο διάστημα-χρονικό διάστημα, που πέφτει σε μια μαύρη τρύπα με μεγάλη ταχύτητα. Επιπλέον, η περιστρεφόμενη δύναμη μιας μαύρης τρύπας προκαλεί χρόνο διαστήματος να περιστραφεί μετά από αυτήν. Η σωστή εξέταση και των δύο αυτών βασικών επιδράσεων απαιτεί τη γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν, η οποία προβλέπει πώς τα αντικείμενα επηρεάζουν τη γεωμετρία του χωροχρόνου γύρω από αυτά.

Δεύτερον, στη διάθεση των επιστημόνων δεν ήτανΥπάρχει αρκετή υπολογιστική ισχύς για την καταγραφή των μαγνητικών ταραχών ή των διαταραχών στο εσωτερικό του δίσκου προσαύξησης. Αυτές οι διαταραχές επιτρέπουν στα σωματίδια του δίσκου να κολλήσουν μαζί και να κρατήσουν ένα κυκλικό σχήμα, επιτρέποντας τελικά το αέριο δίσκου να βυθιστεί σε μια μαύρη τρύπα.

"Φανταστείτε ότι έχετε αυτό το λεπτό δίσκο. Ο στόχος σας είναι να διαχωρίσετε τις ταραχώδεις ροές μέσα στο δίσκο. Είναι πραγματικά μια πρόκληση », λέει ο Τσέκοφσκι.

Χωρίς τη δυνατότητα διαχωρισμού αυτών των τμημάτων, οι αστροφυσικοί δεν μπορούσαν πραγματικά να διαμορφώσουν ρεαλιστικές μαύρες τρύπες.

Μαύρη τρύπα προσομοίωσης

Για την ανάπτυξη ικανότητας κώδικα υπολογιστήΓια να διαμορφώσουν κεκλιμένους δίσκους συσσώρευσης γύρω από τις μαύρες τρύπες, η Liska και ο Chekovsky χρησιμοποίησαν γραφικά (GPU) αντί για κεντρικές μονάδες επεξεργασίας (CPU). Εξαιρετικά αποτελεσματική στη δημιουργία γραφικών υπολογιστών και επεξεργασίας εικόνας, οι επεξεργαστές γραφικών επιταχύνουν τη δημιουργία εικόνων στην οθόνη. Σε σύγκριση με τους επεξεργαστές, είναι πολύ πιο αποτελεσματικοί στον υπολογισμό αλγορίθμων που επεξεργάζονται τεράστια ποσά δεδομένων.

Ο Chekovsky συγκρίνει μια GPU με 1000 ίππους και μια CPU με μια Ferrari με κινητήρα 1000 ίππων.

"Φανταστείτε ότι μετακομίζετε σε ένα νέο διαμέρισμα. Θα πρέπει να ταξιδεύετε πολλές φορές από το διαμέρισμά σας στη Ferrari, επειδή δεν ταιριάζει σε πολλές αποσκευές. Αλλά αν μπορούσατε να τοποθετήσετε ένα κουτί σε κάθε ένα από τα χίλια άλογα, θα μπορούσατε να μεταφέρετε όλα τα πράγματα με τη μία. Αυτή είναι η δύναμη της GPU. Έχει πολλά εξαρτήματα, καθένα από τα οποία είναι ξεχωριστά πιο αργά από την CPU, αλλά υπάρχουν πολλά από αυτά », εξηγεί ο Chekovsky.

Επιπλέον, προσθέτει η Liska, για τις μετρήσεις τουΧρησιμοποίησαν τη μέθοδο της προσαρμοστικής λείανσης του υπολογιστικού δικτύου, η οποία χρησιμοποιεί ένα δυναμικό πλέγμα που αλλάζει και προσαρμόζεται στη ροή της κίνησης σε όλη τη διάρκεια της προσομοίωσης. Αυτή η μέθοδος σάς επιτρέπει να εξοικονομείτε ενέργεια και πόρους ηλεκτρονικών υπολογιστών, εστιάζοντας μόνο σε ορισμένα τμήματα του δικτύου, όπου στην πραγματικότητα υπάρχουν κινήσεις ροών.

Οι ερευνητές επισημαίνουν ότι η χρήσηΟι μονάδες GPU επέτρεψαν να επιταχυνθεί η προσομοίωση και η χρήση προσαρμοζόμενου πλέγματος - για να αυξηθεί η ανάλυση αυτής της προσομοίωσης. Στο τέλος, οι επιστήμονες ήταν σε θέση να δημιουργήσουν μοντέλα πολύ λεπτών δίσκων προσαύξησης με αναλογία ύψους προς ακτίνα 0,03. Μοντελοποιώντας ένα τόσο λεπτό δίσκο, οι ερευνητές μπόρεσαν να δουν την εξίσωση του επιπέδου του δίσκου πρόσκρουσης κοντά στη μαύρη τρύπα.

"Οι λεπτότεροι διαμορφωμένοι δίσκοι είχαν ύψος μέχρι ακτίνας περίπου 0,05 και αποδείχτηκε ότι τα ενδιαφέροντα πράγματα συμβαίνουν μόνο στο 0,03", λέει ο Chekovsky.

Οι αστρονόμοι σημειώνουν ότι ακόμη και με τέτοιους λεπτούς δίσκους, οι μαύρες τρύπες εκπέμπουν ακόμα ισχυρά πίδακα σωματιδίων και ακτινοβολία.

</ p>

"Κανείς δεν περίμενε να δει τέτοιους λεπτούς δίσκουςείναι σε θέση να ρίξει πίδακες. Ο καθένας αναμενόταν ότι τα μαγνητικά πεδία που δημιουργούν αυτά τα ρεύματα θα έσπαζαν αυτούς τους λεπτούς δίσκους και παρόλα αυτά είναι ακόμα εκεί, και χάρη σ 'αυτό μπορούμε να λύσουμε τέτοιες παρατήρησε αινίγματα ", λέει ο Τσέκοφσκι.

Μπορείτε να συζητήσετε το άρθρο στο τηλεγράφημά μας.