Исследование будет опубликовано 5 июня в Ежемесячном бюллетене Королевского астрономического общества.
Среди результатов группа вычислительных астрофизиков из Северо-Западного университета, Амстердамского университета и Оксфордского университета обнаружила, что самая внутренняя область аккреционного диска совпадает с экватором его черной дыры.
Это открытие решает давнюю загадку, первоначально представленную лауреатом Нобелевской премии физиком Джоном Бардином и астрофизиком Якобусом Петтерсоном в 1975 году. В то время Бардин и Петтерсон утверждали, что вращающаяся черная дыра заставит внутреннюю область наклонного аккреционного диска выровняться с экваториальной плоскостью ее черной дыры.
После десятилетий глобальной гонки по обнаружению так называемого эффекта Бардина-Петтерсона моделирование команды показало, что, в то время как внешняя область аккреционного диска остается наклонной, внутренняя область диска выравнивается с черной дырой. Гладкая основа соединяет внутреннюю и внешнюю области. Команда решила загадку, утончив аккреционный диск до беспрецедентной степени и включив намагниченную турбулентность, которая вызывает аккрецию диска.
Предыдущее моделирование существенно упрощало за счет простой аппроксимации эффектов турбулентности.
«Это новаторское открытие выравнивания Бардина-Петтерсона закрывает проблему, которая преследовала астрофизическое сообщество более четырех десятилетий», – сказал Александр Чеховской из Northwestern, соавтор исследования. "Эти детали вокруг черной дыры могут показаться маленькими, но они сильно влияют на то, что происходит в галактике в целом. Они контролируют скорость вращения черных дыр и, как следствие, влияние черных дыр на их галактики."
Чеховской – доцент кафедры физики и астрономии Вайнбергского колледжа искусств и наук Северо-Запада и член CIERA (Центр междисциплинарных исследований и исследований в области астрофизики), научно-исследовательского центра Северо-Запада, ориентированного на продвижение астрофизических исследований с акцентом на междисциплинарные связи.
Мэтью Лиска, научный сотрудник Института астрономии Антона Панненкока при Амстердамском университете, является первым автором статьи.
«Это моделирование не только решает проблему 40-летней давности, но и продемонстрировало, что вопреки распространенному мнению, можно смоделировать наиболее светящиеся аккреционные диски в полной общей теории относительности», – сказал Лиска. "Это открывает путь к моделированию следующего поколения, которое, я надеюсь, решит еще более важные проблемы, связанные со светящимися аккреционными дисками."
Неуловимое выравнивание
Практически все, что исследователи знают о черных дырах, было изучено путем изучения аккреционных дисков. Без очень яркого кольца из газа, пыли и другого звездного мусора, которое вращается вокруг черных дыр, астрономы не смогли бы обнаружить черную дыру, чтобы изучить ее.
Аккреционные диски также контролируют рост и скорость вращения черной дыры, поэтому понимание природы аккреционных дисков является ключом к пониманию того, как черные дыры развиваются и функционируют.
«Выравнивание влияет на то, как аккреционные диски вращают свои черные дыры», – сказал Чеховской. "Таким образом, это влияет на то, как вращение черной дыры эволюционирует с течением времени, и запускает оттоки, которые влияют на эволюцию их родительских галактик."
От Бардина и Петтерсона до наших дней симуляции были слишком упрощены, чтобы найти легендарное совпадение. Две основные проблемы стали препятствием для вычислительных астрофизиков.
Во-первых, аккреционные диски подходят так близко к черной дыре, что движутся через искривленное пространство-время, которое с огромной скоростью устремляется в черную дыру. Еще больше усложняет ситуацию то, что вращение черной дыры заставляет пространство-время вращаться вокруг нее. Правильный учет обоих этих решающих эффектов требует общей теории относительности, теории Альберта Эйнштейна, которая предсказывает, как объекты влияют на геометрию пространства-времени вокруг них.
Во-вторых, у астрофизиков не было вычислительных мощностей, чтобы учесть магнитную турбулентность или перемешивание внутри аккреционного диска.
Это перемешивание – это то, что заставляет частицы диска удерживаться вместе в форме круга, и что в конечном итоге заставляет газ попадать в черную дыру.
"Представьте, что у вас есть этот тонкий диск.
Затем, помимо этого, вы должны разрешить турбулентные движения внутри диска », – сказал Чеховской. "Это становится действительно сложной проблемой."
Не имея возможности разрешить эти особенности, ученые-вычислители не смогли смоделировать реалистичные черные дыры.
Взломать код
Чтобы разработать код, способный выполнять моделирование названных аккреционных дисков вокруг черных дыр, Лиска и Чеховской использовали графические процессоры (GPU) вместо центральных процессоров (CPU).
Чрезвычайно эффективные при манипулировании компьютерной графикой и обработкой изображений, графические процессоры ускоряют создание изображений на дисплее. Они намного эффективнее процессоров для вычисления алгоритмов, обрабатывающих большие объемы данных.
Чеховской сравнивает графические процессоры с 1000 лошадиных сил и процессоры с 1000-сильным Ferrari.
«Допустим, вам нужно переехать в новую квартиру», – пояснил он. «Вам придется совершить много поездок с этим мощным Ferrari, потому что он не поместится во многих боксах. Но если бы вы могли поставить по одному ящику на каждую лошадь, вы могли бы переместить все за один присест. Это графический процессор. В нем много элементов, каждый из которых медленнее, чем в ЦП, но их так много."
Liska также добавила метод, называемый адаптивным уточнением сетки, который использует динамическую сетку или сетку, которая изменяется и адаптируется к потоку движения на протяжении всей симуляции. Он экономит энергию и мощность компьютера, фокусируясь только на определенных блоках в сети, где происходит движение.
Графические процессоры существенно ускорили моделирование, а адаптивная сетка увеличила разрешение. Эти улучшения позволили команде смоделировать самый тонкий аккреционный диск на сегодняшний день с отношением высоты к радиусу 0.03.
Когда диск был смоделирован таким тонким, исследователи смогли увидеть выравнивание, происходящее прямо рядом с черной дырой.
"Самые тонкие диски, смоделированные ранее, имели отношение высоты к радиусу 0.05, и оказывается, что все интересное происходит в 0.03 ", – сказал Чеховской.
Неожиданно оказалось, что даже с этими невероятно тонкими аккреционными дисками черная дыра по-прежнему испускала мощные струи частиц и излучения.
«Никто не ожидал, что из этих дисков будут производиться струи такой небольшой толщины», – сказал Чеховской. "Люди ожидали, что магнитные поля, которые создают эти струи, просто разорвут эти действительно тонкие диски. Но вот они. И это на самом деле помогает нам разгадывать загадки наблюдений."
Исследование «Выравнивание Бардина-Петтерсона, струи и магнитное усечение в симуляциях GRMHD наклоненных тонких аккреционных дисков» было поддержано Национальным научным фондом (номера наград 1615281, OAC-1811605 и PHY-1125915), Нидерландской организацией научных исследований. , Королевское общество и НАСА.
Моделирование, использованное в работе, было выполнено на суперкомпьютерах Blue Waters в Национальном центре суперкомпьютерных приложений Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн.