Чорні діри були нескінченним джерелом захоплення з тих пір, як теорія загальної відносності Ейнштейна передбачила їх існування. За останні 100 років вивчення чорних дір значно просунулося, але побоювання та таємничість цих об’єктів залишається. Наприклад, вчені відзначили, що в деяких випадках чорні діри мають масивні струмені заряджених частинок, що випливають з них, що тривають протягом мільйонів світлових років.
Ці «релятивістські реактивні реактивні літаки», так звані тому, що вони рухають заряджені частинки з часткою швидкості світла, протягом багатьох років спантеличують астрономів. Але завдяки недавньому дослідженню, проведеному міжнародною групою дослідників, в ці струмені було отримано нове розуміння. Відповідно до загальної відносності, дослідники показали, що ці струмені поступово переробляються (тобто змінюють напрямок) внаслідок втягування простору-часу у обертання чорної діри.
Нещодавно їхнє дослідження під назвою «Формування попередньо оброблених струменів нахиленими чорними діровими дисками в 3D-загальних релятивістських моделях MHD» нещодавно з’явилося в Щомісячні повідомлення Королівського астрономічного товариства. Колектив складався з членів Центру міждисциплінарних досліджень та досліджень астрофізики (CIERA) Північно-Західного університету.
Заради свого дослідження команда проводила моделювання, використовуючи суперкомп'ютер Blue Waters в університеті Іллінойсу. Проведені ними симуляції були першими, хто моделював поведінку релятивістських струменів, що надходять із надмасивних чорних дірок (SMBH). Маючи майже мільярд обчислювальних осередків, це було також моделювання найвищої роздільної здатності чорної діри, що колись була досягнута.
Як розповів Олександр Чеховський, доцент кафедри фізики та астрономії в коледжі мистецтв та наук Вайнберга в Північно-Західному регіоні:
“Розуміння того, як обертові чорні діри перетягують простір-час навколо них, і як цей процес впливає на те, що ми бачимо через телескопи, залишається важливою головою, що важко розірвати. На щастя, прориви в розробці коду та стрибки в архітектурі суперкомп'ютерів все більше наближають нас до пошуку відповідей ».
Так само, як і всі надмасивні чорні діри, що швидко обертаються СМБХ, регулярно поглинають (ака. Аккрет) матерії. Однак швидко обертаються чорні діри відомі також тим, як вони випромінюють енергію у вигляді релятивістських струменів. Матерія, яка живить ці чорні діри, утворює навколо них обертовий диск - ака. накопичувальний диск - який характеризується гарячими, напруженими газами та магнітними лініями поля.
Саме наявність цих польових ліній дозволяє чорним дірам приводити в дію енергію у вигляді цих струменів. Оскільки цих струменів настільки великі, їх легше вивчити, ніж самі чорні діри. Роблячи це, астрономи здатні зрозуміти, як швидко змінюється напрям цих струменів, що розкриває речі про обертання самих чорних дір - такі як орієнтація та розмір обертових дисків.
Розширені комп'ютерні моделювання необхідні, коли справа стосується вивчення чорних дір, багато в чому тому, що вони не спостерігаються у видимому світлі і, як правило, дуже далеко. Наприклад, найближчим до Землі СМБХ є Стрілець А *, який знаходиться в центрі нашої галактики приблизно за 26 000 світлових років. Таким чином, моделювання - єдиний спосіб визначити, як діє така складна система, як чорна діра.
У попередніх симуляціях вчені діяли за припущенням, що диски чорної діри були вирівняні. Однак у більшості SMBH було виявлено нахилені диски - тобто диски обертаються навколо окремої осі, ніж сама чорна діра. Таким чином, це дослідження було насіннєвим, оскільки показало, як диски можуть змінювати напрямок відносно своєї чорної діри, що призводить до попередніх обробці струменів, які періодично змінюють свій напрямок.
Раніше це було невідомо через неймовірно велику обчислювальну потужність, необхідну для побудови 3-D моделювання регіону, що оточує чорну діру, що швидко обертається. За підтримки гранту Національного наукового фонду (NSF) команда змогла досягти цього за допомогою «Блакитних вод», одного з найбільших суперкомп'ютерів у світі.
Маючи цей суперкомп'ютер у своєму розпорядженні, команда змогла побудувати перший імітаційний код чорної діри, який вони прискорили за допомогою графічних процесорних блоків (GPU). Завдяки цій комбінації команда змогла здійснити моделювання, які мали найвищий рівень дозволу, який коли-небудь досягався - тобто близько мільярда обчислювальних осередків. Як пояснив Чеховський:
«Висока роздільна здатність дозволила нам вперше забезпечити точність руху невеликих турбулентних дисків у наших моделях. На наш подив, ці рухи виявилися настільки сильними, що змусили диск потовстити і припинити прецесію диска. Це дозволяє припустити, що прецесія може відбутися сплеском ».
Прецесія релятивістських струменів може пояснити, чому в минулому спостерігаються коливання світла, що надходять навколо чорних дір, які відомі як квазіперіодичні коливання (QPO). Ці пучки, які вперше виявили Мічіель ван дер Кліс (один із співавторів дослідження), діють так само, як і пучки квазара, які, мабуть, мають стрибуючий ефект.
Це дослідження - одне з багатьох, що проводиться з обертових чорних дір у всьому світі, метою яких є краще розуміння останніх відкриттів, таких як гравітаційні хвилі, які викликані злиттям чорних дір. Ці дослідження також застосовуються до спостережень з телескопа "Горизонт події", який зафіксував перші зображення тіні Стрільця А *. Те, що вони розкриють, обов'язково збудить і вразить, і потенційно поглибить таємницю чорних дір.
У минулому столітті вивчення чорних дір значно просунулося - від суто теоретичних, до непрямих досліджень впливу, яке вони мають на навколишню речовину, до вивчення самих гравітаційних хвиль. Можливо, одного дня ми насправді зможемо вивчити їх безпосередньо або (якщо на це не надто сподіватися) заглянути безпосередньо всередині них!
