Черните дупки са една от най-страхотните и мистериозни сили във Вселената. Първоначално предвидени от Теорията на общата относителност на Айнщайн, тези точки в космическото време се формират, когато масивните звезди претърпят гравитационен срив в края на живота си. Въпреки десетилетия на изучаване и наблюдение, все още има много неща, които не знаем за това явление.
Например, учените все още са в голяма степен в тъмното за това как се държи материята, която попада в орбита около черна дупка и постепенно се подава към нея (акредиращи дискове). Благодарение на неотдавнашно проучване, в което международен екип от изследователи извърши най-подробните симулации на черна дупка до този момент, редица теоретични прогнози относно дисковете за натрупване най-накрая бяха утвърдени.
Екипът се състоеше от изчислителни астрофизици от Института за астрономия на Амстердамския университет "Антон Панекьок", Центъра за интердисциплинарни изследвания и изследвания в астрофизиката (CIERA) на Северозападния университет и от Оксфордския университет. Резултатите от изследванията им се появиха в броя на 5 юни Месечни известия на Кралското астрономическо дружество.
Сред своите открития екипът потвърди теория, първоначално представена през 1975 г. от Джеймс Бардийн и Якоб Петърсън, която стана известна като ефектът на Бардийн-Петърсън. В съответствие с тази теория, екипът откри, че докато външният участък на диска за натрупване ще остане наклонен, вътрешният участък на диска ще се приведе в съответствие с екватора на черната дупка.
Казано по-просто, почти всичко, което изследователите знаят за черните дупки, беше научено чрез изучаване на дискове за акреция. Без тези ярки пръстени от газ и прах е малко вероятно учените да успеят да намерят черни дупки. Нещо повече, растежът и скоростта на въртене на черната дупка също зависят от нейния диск за натрупване, което ги прави от съществено значение за разбирането на еволюцията и поведението на черните дупки.
Както Александър Чеховский, ан
Откакто Бардин и Петърсън предложиха своята теория, симулациите на черни дупки са пострадали от редица проблеми, които са им попречили да определят дали това привеждане в съответствие. На първо място, когато акреционните дискове се приближат до хоризонта на събитията, те се ускоряват до огромни скорости и се движат през изкривени региони на космическото време.
Втори проблем, който допълнително усложнява въпроса, е фактът, че въртенето на черна дупка принуждава пространството и времето да се върти около нея. И двата въпроса изискват астрофизиците да отчитат ефектите на общата относителност, но остава въпросът за магнитната турбулентност. Тази турбуленция кара частиците на диска да се държат заедно в кръгла форма и
Досега астрофизиците не са имали изчислителната сила да отчитат всичко това. За да разработи здрав код, способен да извършва симулации, отчитащи GR и магнитна турбулентност, екипът разработи код, базиран на графични процесорни единици (GPU). В сравнение с конвенционалните централни процесорни единици (CPU), графичните процесори са много по-ефективни при обработката на изображения и изчисляването на алгоритми, които обработват голям брой данни.
Екипът включи и метод, наречен адаптивно усъвършенстване на мрежата, който спестява енергия, като се фокусира само върху конкретни блокове, където се появява движението и се адаптира съответно. За да илюстрира разликата, Tchekhovskoy сравнява GPU и
„Нека кажем, че трябва да се преместиш в нов апартамент. Ще трябва да правите много пътувания с това мощно Ferrari, защото той няма да пасне на много кутии. Но ако можете да сложите по една кутия на всеки кон, можете да преместите всичко в един замах. Това е GPU. Той има много елементи, всеки от които е по-бавен от тези в процесора, но има толкова много от тях. “
Не на последно място, но не на последно място, екипът провежда симулацията си, използвайки суперкомпютрите Blue Waters в Националния център за суперкомпютърни приложения (NCSA) в Университета на Илинойс в Урбана-Шампайн. Това, което откриха, е, че докато външната област на диска може да бъде облицована, вътрешната област ще бъде подравнена с екватора на черната дупка и гладката основа ще ги свърже.
В допълнение към осигуряването на затваряне на дългогодишен дебат относно черните дупки и техните дискове за натрупване, това проучване показва също, че далеч астрофизиката е прогресирала още от времето на Бардийн и Петърсън. Както Матю Лиска, изследовател обобщи:
„Тези симулации не само решават 40-годишен проблем, но демонстрират, че противно на типичното мислене, е възможно да се симулират най-светещите дискове за аккреция при пълна обща относителност. Това проправя път за следващо поколение симулации, които се надявам да решат още по-важни проблеми около светещите дискове за натрупване. "
Екипът разреши дългогодишната мистерия на ефекта Бардин-Петърсън, като изтъни акреционния диск до безпрецедентна степен и раздели на магнетизираната турбулентност, която причинява натрупването на диска. Предишните симулации направиха значително опростяване, като просто приближиха ефекта от турбулентността.
Нещо повече, предишните симулации работеха с изтънени дискове с минимално съотношение височина към радиус 0,05, докато най-интересните ефекти, гледани от Чеховской и неговите колеги, се случиха, след като дискът беше разреден до 0,03. За своя изненада екипът откри, че дори при невероятно тънки натрупващи се дискове, черната дупка все още излъчва струи частици и радиация с част от скоростта на светлината (известна още като релативистични струи).
Както обясни Чеховский, това беше доста неочаквана находка:
„Никой не е очаквал, че тези дискове ще бъдат произведени от тези малки дебелини. Хората са очаквали, че магнитните полета, които произвеждат тези струи, просто ще разкъсат тези наистина тънки дискове. Но там са. И това всъщност ни помага да разрешим наблюдателни мистерии. "
С всички последни находки, които астрофизиците направиха по отношение на черните дупки и техните дискове за натрупване, може да се каже, че живеем във втория „Златен век на относителността“. И не би било преувеличено да се каже, че научните изплащания на всички тези изследвания могат да бъдат огромни. Разбирайки как се държи материята при най-екстремни условия, ние все повече се доближаваме до научаването на това как основните сили на Вселената се сближават.
