Hi-Tech

Самые точные модели черных дыр позволили решить почти полувековую загадку их природы

Современный метод исследований: сложное компьютерное моделирование, позволяющие визуализировать черные дыры с беспрецедентным уровнем деталей, отметить которые пока не в состоянии ни один из имеющихся у человечества телескопов. Прошло около двух месяцев с того момента, как ученые явили миру первую настоящую фотографию черной дыры, однако изучением этих загадочных объектов астрономы занимаются уже более столетия. Недавно международная команда ученых создала самые подробные компьютерные модели черной дыры и с помощью них доказала почти полувековую загадку, связанную с природой аккреционных дисков – материи, которая со временем попадает в черную дыру.

Результаты моделирования, проведенного астрофизиками из университетов Амстердама, Оксфорда и Северо-Западного университета, показывают, что внутренняя область аккреционного диска располагается в экваториальной плоскости черной дыры, сообщает пресс-релиз, опубликованный на сайте Северо-Западного университета (США).

Полувековая загадка черных дыр

На тот момент ученые заявили, что что вихревая часть черной дыры должна заставлять внутреннюю область наклонного аккреционного диска позиционировать себя в экваториальной плоскости черной дыры. Их открытие решает загадку, изначально описанную физиком и Нобелевским лауреатом Джоном Бардином и астрофизиком Якобусом Петтерсоном в 1975 году.

Именно тогда Бардин и Петтерсон заявили, что вихревая часть черной дыры должна заставить внутреннюю область наклонного аккреционного диска позиционировать себя в экваториальной плоскости черной дыры. Это открытие раскрывает загадку, первоначально описанную физиком и нобелевским лауреатом Джоном Бардином и астрофизиком Якобусом Петтерсоном в 1975 году.

Команда ученых пришла к этому, уменьшив толщину аккреционного диска до беспрецедентной степени и приняв во внимание магнитную турбулентность, которая отвечает за аккрецию диска. Спустя десятилетия поисков доказательств эффекта Бардина-Петерсона новое моделирование международной команды исследователей позволило определить, что, хотя внешняя область аккреционного диска остается наклоненной, его внутренняя область адаптируется к экваториальной плоскости черной дыры. Предыдущие модели, разбирающие этот вопрос, были существенно проще и просто учитывали приблизительные эффекты турбулентности.

«Это прорывное открытие эффекта Бардина-Петерсона решает вопрос, который преследует астрофизиков на протяжении более четырех десятилетий», — комментирует Александр Чековский из Северо-Западного университета, один из соавторов исследования.

Эти эффекты контролируют то, насколько быстро будет вращаться черная дыра и, следовательно, какое влияние она будет оказывать на всю галактику». «Эти детали в непосредственной близости от черной дыры могут показаться незначительными, но они оказывают глубокое влияние на то, что происходит внутри галактики.

Таким образом, мы проложили путь к следующему поколению симуляций, которые позволят нам решить еще более важные проблемы с яркими аккреционными дисками», — добавляет ведущий автор исследования Мэтью Лиска из Амстердамского университета. «Эти симуляции не только решают 40-летнюю загадку, но и, вопреки общему мнению, доказывают, что можно моделировать самые яркие аккреционные диски с учетом общей теории относительности.

Зачем нужны модели черных дыр?

Без этих ярких газовых колец, пыли и других остатков погибших звезд, вращающихся вокруг черных дыр, астрономы не смогут увидеть черные дыры, чтобы изучить их. Почти все наши знания о черных дырах основаны на изучении их аккреционных дисков. Кроме того, аккреционные диски контролируют рост и скорость вращения черных дыр, поэтому понимание их природы имеет решающее значение для понимания того, как черные дыры эволюционируют и функционируют.

При вычислениях астрономы столкнулись с двумя ограничениями. Со времен Бардина и Петерсона до наших дней моделирование было слишком упрощенным, чтобы подтвердить выравнивание внутренней части диска. Кроме того, вращающая сила черной дыры заставляет пространство-время вращаться вслед за ней. Во-первых, оказалось, что аккреционные диски приближаются настолько близко к дыре, что движутся в искривленном пространстве-времени, которое с огромной скоростью падает в черную дыру. Правильное рассмотрение обоих этих ключевых эффектов требует общей теории относительности Эйнштейна, которая предсказывает, как объекты влияют на геометрию пространства-времени вокруг них.

Эти возмущения позволяют частицам диска держаться вместе и сохранять круглую форму, в конечном итоге позволяя газу диска тонуть в черной дыре. Во-вторых, в распоряжении ученых не было достаточно вычислительной мощности для учета магнитных турбулентностей или возмущений внутри аккреционного диска.

Перед вами стоят задача — отделить турбулентные потоки внутри диска. «Представь, что у вас есть этот тонкий диск. Это действительно сложная задача», — говорит Чековский.

Без возможности разделения этих деталей астрофизики не смогли реально моделировать реалистичные черные дыры.

Моделирование черных дыр

Чрезвычайно эффективные в создании компьютерной графики и обработки изображений, графические процессоры ускоряют создание изображений на экране. Для разработки компьютерного кода, способного моделировать наклонные аккреционные диски вокруг черных дыр, Лиска и Чековский использовали вместо центральных процессоров (CPU) графические (GPU). По сравнению с CPU, они намного эффективнее в вычислениях алгоритмов, обрабатывающих огромные объемы данных.

Чековский сравнивает GPU с 1000 лошадьми, а CPU с Ferrari с двигателем мощностью 1000 лошадиных сил.

Вам придется много раз ездить из вашей квартиры на Ferrari, поскольку в нее помещается не очень много багажа. «Представим, что вы переезжаете в новую квартиру. В этом и заключается сила графического процессора. Но если бы вы могли поместить одну коробку на каждую из тысячи лошадей, то смогли бы перевезли все вещи сразу. В нем есть много компонентов, каждый из которых по отдельности медленнее, чем CPU, но их очень много», — объясняет Чековский.

Этот метод позволяет экономить энергию и компьютерные ресурсы, фокусируясь только на определенных блоках сетки, где, собственно, происходят движения потоков. Кроме того, добавляет Лиска, для своих измерений они использовали метод адаптивного измельчения расчетной сетки, при котором используется динамическая сетка, изменяющая и адаптирующаяся к потоку движения на протяжении всего моделирования.

В конечном итоге ученые смогли создать модели очень тонких аккреционных дисков с отношением высоты к радиусу 0,03. Исследователи отмечают, что использование графических процессоров позволило ускорить моделирование, а использование адаптивной сетки – повысить разрешение этого моделирования. Моделируя такой тонкий диск, исследователи смогли увидеть уравнение плоскости аккреционного диска вблизи черной дыры.

«Самые тонкие смоделированные диски имели высоту до радиуса порядка 0,05, и оказалось, что интересные вещи случаются только при показателе 0,03», — говорит Чековский.

Астрономы отмечают, что даже с такими тонкими дисками черные дыры все еще испускают сильные струи частиц и излучения.

Все ожидали, что магнитные поля, создающие эти струи, порвут эти тонкие диски, и все же они все еще там, и благодаря этому мы можем решать такие наблюдательные загадки», — говорит Чековский. «Никто не ожидал увидеть такие тонкие диски способны выбрасывать джеты.

Обсудить статью можно в нашем Telegram-чате.

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть