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

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. 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. 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).

Их открытие решает загадку, изначально описанную физиком и Нобелевским лауреатом Джоном Бардином и астрофизиком Якобусом Петтерсоном в 1975 году. 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.

Это открытие раскрывает загадку, первоначально 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.

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. Команда ученых пришла к этому, уменьшив толщину аккреционного диска до беспрецедентной степени и приняв во внимание магнитную турбулентность, которая отвечает за аккрецию диска. 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 детали в непосредственной близости от черной дыры могут показаться незначительными, но они оказывают глубокое влияние на то, что происходит внутри галактики. Эти эффекты контролируют то, насколько быстро будет вращаться черная дыра и, следовательно, какое влияние она будет оказывать на всю галактику».

«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. 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.

Почти все наши знания о черных дырах основаны на изучении их аккреционных дисков. Без этих ярких газовых колец, пыли и других остатков погибших звезд, вращающихся вокруг черных дыр, астрономы не смогут увидеть черные дыры, чтобы изучить их. 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.

Со времен Бардина и Петерсона до наших дней моделирование было слишком упрощенным, чтобы подтвердить выравнивание внутренней части диска. При вычислениях астрономы столкнулись с двумя ограничениями. 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. Кроме того, вращающая сила черной дыры заставляет пространство-время вращаться вслед за ней. Правильное рассмотрение обоих этих ключевых эффектов требует общей теории относительности Эйнштейна, которая предсказывает, как объекты влияют на геометрию пространства-времени вокруг них.

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

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

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

Для разработки компьютерного кода, способного моделировать наклонные аккреционные диски вокруг черных дыр, Лиска и Чековский использовали вместо центральных процессоров (CPU) графические (GPU). Чрезвычайно эффективные в создании компьютерной графики и обработки изображений, графические процессоры ускоряют создание изображений на экране. 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.

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

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. Этот метод позволяет экономить энергию и компьютерные ресурсы, фокусируясь только на определенных блоках сетки, где, собственно, происходят движения потоков.

Исследователи отмечают, что использование графических процессоров позволило ускорить моделирование, а использование адаптивной сетки – повысить разрешение этого моделирования. В конечном итоге ученые смогли создать модели очень тонких аккреционных дисков с отношением высоты к радиусу 0,03. 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.

«Никто не ожидал увидеть такие тонкие диски способны выбрасывать джеты. 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.