Space

Найточніші моделі чорних дір дозволили вирішити майже півстолітню загадку їх природи

Минуло близько двох місяців з того моменту, яквчені відкрили світові першу справжню фотографію чорної діри, однак вивченням цих загадкових об'єктів астрономи займаються вже понад століття. Сучасний метод досліджень: складне комп'ютерне моделювання, що дозволяють візуалізувати чорні діри з безпрецедентним рівнем деталей, відзначити які поки не в змозі жоден з наявних у людства телескопів. Нещодавно міжнародна команда вчених створила найдокладніші комп'ютерні моделі чорної діри і за допомогою них довела майже півстолітню загадку, пов'язану з природою акреційних дисків - матерії, яка з часом потрапляє в чорну діру.

Результати моделювання, проведеногоастрофізиками з університетів Амстердама, Оксфорда і Північно-Західного університету, показують, що внутрішня область аккреционного диска розташовується в екваторіальній площині чорної діри, повідомляє прес-реліз, опублікований на сайті Північно-Західного університету (США).

Піввікова загадка чорних дір

Їх відкриття вирішує загадку, спочатку описануфізиком і Нобелівським лауреатом Джоном Бардином і астрофізиком Якобус Петтерсон в 1975 році. На той момент вчені заявили, що що вихрова частина чорної діри повинна змушувати внутрішню область похилого аккреционного диска позиціонувати себе в екваторіальній площині чорної діри.

Це відкриття розкриває загадку, спочаткуописану фізиком і Нобелівським лауреатом Джоном Бардином і астрофізиком Якобус Петтерсон в 1975 році. Саме тоді Бардін і Петтерсон заявили, що вихрова частина чорної діри повинна змусити внутрішню область похилого аккреционного диска позиціонувати себе в екваторіальній площині чорної діри.

Через десятиліття пошуків доказів ефектуБардіна-Петерсона нове моделювання міжнародної команди дослідників дозволило визначити, що, хоча зовнішня область аккреционного диска залишається нахиленою, його внутрішня область адаптується до екваторіальній площині чорної діри. Команда вчених прийшла до цього, зменшивши товщину аккреционного диска до безпрецедентної ступеня і взявши до уваги магнітну турбулентність, яка відповідає за акреції диска. Попередні моделі, які розбирають це питання, були істотно простіше і просто враховували приблизні ефекти турбулентності.

«Це проривна відкриття ефекту Бардіна-Петерсонавирішує питання, який переслідує астрофізиків протягом більше чотирьох десятиліть », - коментує Олександр Чековські з Північно-Західного університету, один із співавторів дослідження.

«Ці деталі в безпосередній близькості від чорноїдіри можуть здатися незначними, але вони надають глибоке вплив на те, що відбувається всередині галактики. Ці ефекти контролюють те, наскільки швидко буде обертатися чорна діра і, отже, який вплив вона матиме на всю галактику ».

«Ці симуляції не тільки вирішують 40-річнузагадку, а й, всупереч загальній думці, доводять, що можна моделювати найяскравіші аккреційному диски з урахуванням загальної теорії відносності. Таким чином, ми проклали шлях до наступного покоління симуляцій, які дозволять нам вирішити ще більш важливі проблеми з яскравими аккреционного дисками », - додає провідний автор дослідження Метью Лиска з Амстердамського університету.

Навіщо потрібні моделі чорних дір?

Майже всі наші знання про чорні діри засновані навивченні їх акреційних дисків. Без цих яскравих газових кілець, пилу та інших залишків загиблих зірок, що обертаються навколо чорних дір, астрономи не зможуть побачити чорні діри, щоб вивчити їх. Крім того, аккреційному диски контролюють ріст і швидкість обертання чорних дірок, тому розуміння їх природи має вирішальне значення для розуміння того, як чорні діри еволюціонують і функціонують.

З часів Бардіна та Петерсона до наших днівмоделювання було занадто спрощеним, щоб підтвердити вирівнювання внутрішньої частини диска. При обчисленнях астрономи зіткнулися з двома обмеженнями. По-перше, виявилося, що аккреційному диски наближаються настільки близько до дірки, що рухаються у викривленому просторі-часі, яке з величезною швидкістю падає в чорну діру. Крім того, вращающая сила чорної діри змушує простір-час обертатися услід за нею. Правильне розгляд обох цих ключових ефектів вимагає загальної теорії відносності Ейнштейна, яка передбачає, як об'єкти впливають на геометрію простору-часу навколо них.

По-друге, в розпорядженні вчених не булодосить обчислювальної потужності для обліку магнітних турбулентності або збурень всередині аккреционного диска. Ці обурення дозволяють часткам диска триматися разом і зберігати круглу форму, в кінцевому підсумку дозволяючи газу диска тонути в чорній дірі.

«Уяви, що у вас є цей тонкий диск. Перед вами стоять завдання - відокремити турбулентні потоки всередині диска. Це дійсно складне завдання », - каже Чековські.

Без можливості поділу цих деталей астрофізики не змогли реально моделювати реалістичні чорні діри.

Моделювання чорних дір

Для розробки комп'ютерного коду, здатногомоделювати похилі аккреційному диски навколо чорних дір, Лиска і Чековські використовували замість центральних процесорів (CPU) графічні (GPU). Надзвичайно ефективні в створенні комп'ютерної графіки та обробки зображень, графічні процесори прискорюють створення зображень на екрані. У порівнянні з CPU, вони набагато ефективніше в обчисленнях алгоритмів, що обробляють величезні обсяги даних.

Чековські порівнює GPU від 1000 кіньми, а CPU з Ferrari з двигуном потужністю 1000 кінських сил.

«Уявімо, що ви переїжджаєте в нову квартиру. Вам доведеться багато разів їздити з вашої квартири на Ferrari, оскільки в неї поміщається не дуже багато багажу. Але якби ви могли помістити одну коробку на кожну з тисячі коней, то змогли б перевезли всі речі відразу. В цьому і полягає сила графічного процесора. У ньому є багато компонентів, кожен з яких окремо повільніше, ніж CPU, але їх дуже багато », - пояснює Чековські.

Крім того, додає Лиска, для своїх вимірюваньвони використовували метод адаптивного подрібнення розрахункової сітки, при якому використовується динамічна сітка, яка зраджує і адаптується до потоку руху протягом усього моделювання. Цей метод дозволяє економити енергію і комп'ютерні ресурси, фокусуючись тільки на певних блоках сітки, де, власне, відбуваються руху потоків.

Дослідники відзначають, що використанняграфічних процесорів дозволило прискорити моделювання, а використання адаптивної сітки - підвищити дозвіл цього моделювання. В кінцевому підсумку вчені змогли створити моделі дуже тонких акреційних дисків з відношенням висоти до радіусу 0,03. Моделюючи такий тонкий диск, дослідники змогли побачити рівняння площини аккреционного диска поблизу чорної діри.

«Найтонші змодельовані диски мали висоту до радіуса порядку 0,05, і виявилося, що цікаві речі трапляються тільки при показнику 0,03», - каже Чековські.

Астрономи відзначають, що навіть з такими тонкими дисками чорні діри все ще випускають сильні струмені частинок і випромінювання.

</ P>

«Ніхто не очікував побачити такі тонкі дискиздатні викидати джети. Всі очікували, що магнітні поля, що створюють ці струменя, порвуть ці тонкі диски, і все ж вони все ще там, і завдяки цьому ми можемо вирішувати такі спостережні загадки », - каже Чековські.

Обговорити статтю можна в нашому Telegram-чаті.