Чорні діри - одна з найдивовижніших та найзагадковіших сил у Всесвіті. Спочатку передбачив теорію загальної відносності Ейнштейна, ці точки в просторі часу утворюються, коли масивні зірки зазнають гравітаційного колапсу в кінці свого життя. Незважаючи на десятиліття вивчення та спостереження, ми ще багато чого не знаємо про це явище.
Наприклад, вчені досі знаходяться в темряві щодо того, як поводиться речовина, яка потрапляє на орбіту навколо чорної діри і поступово подається на неї (диски для нарощення). Завдяки нещодавньому дослідженню, в якому міжнародна команда дослідників проводила найбільш детальне моделювання чорної діри на сьогоднішній день, ряд теоретичних прогнозів щодо накопичувальних дисків нарешті були підтверджені.
Колектив складався з обчислювальних астрофізиків з Амстердамського університету Інституту астрономії Антона Паннекека, Центру міждисциплінарних досліджень та досліджень в астрофізиці (CIERA) та Оксфордського університету. Їх результати досліджень з'явилися у випуску 5 червня Щомісячні повідомлення Королівського астрономічного товариства.
Серед їхніх висновків команда підтвердила теорію, спочатку викладену в 1975 році Джеймсом Бардіном та Якобусом Петтерсоном, яка стала відомою як ефект Бардіна-Петтерсона. Відповідно до цієї теорії, команда виявила, що хоча зовнішня область накопичувального диска залишатиметься нахиленою, внутрішня область диска вирівняється з екватором його чорної діри.
Простіше кажучи, майже все те, що дослідники знають про чорні діри, було вивчено шляхом вивчення накопичувальних дисків. Без цих яскравих кілець газу та пилу навряд чи вчені змогли б знайти чорні діри. Більше того, зростання та швидкість обертання чорної діри також залежать від її накопичувального диска, що робить їх вивчення важливим для розуміння еволюції та поведінки чорних дір.
Як Олександр Чеховський, ан
З тих пір, як Бардін і Петтерсон запропонували свою теорію, симуляція чорних дір зазнала низки питань, які заважали їм визначити, чи відбудеться таке вирівнювання. Перш за все, коли накопичувальні диски наближаються до горизонту подій, вони розганяються до величезних швидкостей і рухаються через викривлені області простору часу.
Другим питанням, яке ще більше ускладнює питання, є те, що обертання чорної діри змушує простір і час обертатися навколо неї. Обидва ці питання вимагають, щоб астрофізики враховували наслідки загальної відносності, але залишається питання магнітної турбулентності. Ця турбулентність змушує частинки диска утримуватися разом у круговій формі і
До цих пір астрофізики не мали обчислювальної сили для обліку всього цього. Для розробки надійного коду, здатного виконувати симуляції, що враховували GR та магнітну турбулентність, команда розробила код на основі одиниць графічної обробки (GPU). У порівнянні зі звичайними центральними процесорними блоками (ЦП), графічні процесори набагато ефективніші в алгоритмах обробки зображень та обчислювальних технологіях, які обробляють велику кількість даних.
Команда також включила метод, який називається адаптивним очищенням сітки, який економить енергію, зосереджуючись лише на конкретних блоках, де відбувається рух, і відповідно адаптується. Щоб проілюструвати різницю, Чеховський порівняв GPU та
«Скажімо, вам потрібно переїхати до нової квартири. Вам доведеться здійснити багато поїздок із цим потужним Ferrari, оскільки він не вміститься у багатьох ящиках. Але якби ти міг покласти по одній коробці на кожного коня, ти міг би перемістити все за один раз. Це GPU. У ньому багато елементів, кожен з яких повільніше, ніж у процесора, але їх так багато ».
І останнє, але не менш важливе, команда проводила своє моделювання за допомогою суперкомп'ютерів Blue Waters у Національному центрі додатків для обчислювальної техніки (NCSA) в університеті Іллінойсу в Урбані-Шампань. Вони виявили, що, хоча зовнішня область диска може бути обложена плиткою, внутрішня область буде вирівняна з екватором чорної діри, і гладка основа з’єднає їх.
Окрім того, що передбачає закриття давніх дискусій щодо чорних дір та їх накопичувальних дисків, це дослідження також показує, що астрофізика далеко не прогресувала з часів Бардіна та Петтерсона. Як підкреслив дослідник Метью Ліска:
«Ці симуляції не тільки вирішують проблему 40-річної давності, але вони продемонстрували, що, всупереч типовому мисленню, можна імітувати найсвіжіші диски з накопиченням у повній загальній відносності. Це відкриє шлях для наступного покоління симуляцій, які, сподіваюся, вирішать ще більш важливі проблеми, пов'язані зі світловими накопичувальними дисками ».
Команда вирішила давню таємницю ефекту Бардіна-Петтерсона шляхом витончення накопичувального диска до безпрецедентного ступеня та врахування намагніченої турбулентності, яка змушує диск накопичуватися. Попередні моделювання зробили істотне спрощення, просто наблизивши наслідки турбулентності.
Більше того, попередні симуляції працювали з потоншеними дисками, які мали мінімальне відношення висоти до радіусу - 0,05, тоді як найцікавіші ефекти, переглянуті Чеховським та його колегами, траплялися, коли диск був стоншений до 0,03. На їхнє здивування, команда виявила, що навіть з неймовірно тонкими накопичувальними дисками, чорна діра все ж випромінювала струмені частинок і випромінювання з часткою швидкості світла (ака. Релятивістські струмені).
Як пояснив Чеховський, це була досить несподівана знахідка:
«Ніхто не очікував, що ці диски будуть вироблятися цими дисками при таких незначних товщинах. Люди очікували, що магнітні поля, які виробляють ці струмені, просто прорвуть ці справді тонкі диски. Але вони є. І це насправді допомагає нам розгадувати спостережні таємниці ».
З урахуванням останніх знахідок, які зробили астрофізики щодо чорних дір та їх накопичувальних дисків, ви можете сказати, що ми живемо у другому "Золотому періоді відносності". І не буде перебільшенням сказати, що наукові виплати від усіх цих досліджень можуть бути величезними. Розуміючи, як матерія поводиться в самих екстремальних умовах, ми все ближче до вивчення того, як фундаментальні сили Всесвіту поєднуються між собою.
