Черните дупки са безкраен източник на очарование още от времето, когато Теорията на общата относителност на Айнщайн предсказа съществуването им. През последните 100 години изучаването на черните дупки е напреднало значително, но страхопочитанието и загадъчността на тези обекти остава. Например, учените отбелязват, че в някои случаи черните дупки имат масивни струи заредени частици, излъчвани от тях, които се простират в продължение на милиони светлинни години.
Тези „релативистични струи“ - така наречени, защото задвижват заредените частици с частица от скоростта на светлината - озадачават астрономите от години. Но благодарение на неотдавнашно проучване, проведено от международен екип от изследователи, в тези струи е придобито ново разбиране. В съответствие с общата относителност, изследователите показаха, че тези струи постепенно прецесват (т.е. променят посоката) в резултат на това, че пространството-време се завлече във въртенето на черната дупка.
Тяхното проучване, озаглавено „Формиране на предварителни струи с наклонени дискове с черна дупка в 3D общи релативистични MHD симулации“, наскоро се появи в Месечни известия на Кралското астрономическо дружество, Екипът се състоеше от членове от Центъра за интердисциплинарно изследване и изследвания в астрофизиката (CIERA) към Северозападния университет.
Заради проучването си екипът проведе симулации, използвайки суперкомпютъра Blue Blue Waters в университета в Илинойс. Проведените от тях симулации бяха първите, които моделираха поведението на релативистични джетове, идващи от Супермасивни черни дупки (SMBHs). С близо милиард изчислителни клетки, това беше и симулация с най-висока разделителна способност на акредитираща черна дупка, постигната някога.
Както Александър Чеховский, асистент по физика и астрономия в Уейнбергския колеж за изкуства и науки, обясни в скорошно прессъобщение на Northwestern Now:
„Разбирането на това как въртящите се черни дупки влачат пространството и времето около тях и как този процес се отразява на това, което виждаме чрез телескопите, остава решаващ, труден за разбиване пъзел. За щастие, пробивът в развитието на кода и скоковете в архитектурата на суперкомпютъра ни приближават все повече до намирането на отговорите. “
Подобно на всички свръхмасивни черни дупки, бързо въртящите се SMBH редовно поглъщат (известна още като. Accrete) материя. Бързо въртящите се черни дупки обаче са известни и с начина, по който излъчват енергия под формата на релативистични струи. Материята, която захранва тези черни дупки, образува въртящ се диск около тях. акреционен диск - който се характеризира с горещи, енергизирани газови и магнитни полеви линии.
Именно наличието на тези линии на полето позволява на черните дупки да задвижват енергия под формата на тези струи. Тъй като тези струи са толкова големи, те са по-лесни за изследване, отколкото самите черни дупки. По този начин астрономите са в състояние да разберат колко бързо се променя посоката на тези струи, което разкрива нещата за въртенето на самите черни дупки - като ориентацията и размера на въртящите се дискове.
Разширените компютърни симулации са необходими, когато става въпрос за изследване на черните дупки, до голяма степен, защото те не се наблюдават на видима светлина и обикновено са много далеч. Например, най-близкият SMBH до Земята е Стрелец А *, който се намира на около 26 000 светлинни години в центъра на нашата галактика. Като такива симулациите са единственият начин да се определи как функционира една много сложна система като черна дупка.
В предишни симулации учените работеха при предположението, че дисковете с черна дупка са подравнени. Установено е обаче, че повечето SMBH имат наклонени дискове - т.е. дисковете се въртят около отделна ос, отколкото самата черна дупка. Следователно това проучване беше първоначално, тъй като показа как дисковете могат да променят посоката спрямо черната си дупка, което води до предварителни струи, които периодично променят посоката си.
По-рано това не беше известно поради невероятното количество изчислителна мощност, която е необходима за изграждането на 3-D симулации на региона, заобикалящ бързо въртяща се черна дупка. С подкрепата на безвъзмездната финансова помощ на Националната научна фондация (NSF) екипът успя да постигне това с помощта на Сините води, един от най-големите суперкомпютри в света.
С този суперкомпютър, с който разполага, екипът успя да конструира първия симулационен код на черна дупка, който те ускориха с помощта на графични процесорни единици (GPU). Благодарение на тази комбинация екипът успя да извърши симулации с най-високо ниво на разделителна способност, постигнато някога - т.е. близо до милиард изчислителни клетки. Както обясни Чеховский:
„Високата разделителна способност ни позволи за първи път да гарантираме точното заснемане на мащабни дискови движения в нашите модели. За наша изненада тези предложения се оказаха толкова силни, че накараха диска да се угои и прецесията на диска да спре. Това предполага, че прецесията може да настъпи с пръсти. "
Прецесията на релативистичните струи би могла да обясни защо в миналото се наблюдават колебания на светлината, идващи от черни дупки - които са известни като квазипериодични трептения (QPO). Тези лъчи, които бяха открити за първи път от Мичиел ван дер Клис (един от съавторите на изследването), действат по същия начин като квазарските лъчи, които изглежда имат стряскащ ефект.
Това проучване е едно от многото, което се провежда върху въртящи се черни дупки по света, целта на които е да придобие по-добро разбиране за скорошни открития като гравитационни вълни, които са причинени от сливането на черни дупки. Тези изследвания се прилагат и за наблюдения от телескопа на хоризонта на събитията, които заснеха първите изображения на сянката на Стрелец А *. Това, което ще разкрият, е сигурно, че ще развълнува и удиви и потенциално ще задълбочи мистерията на черните дупки.
През изминалия век изследването на черните дупки значително напредна - от чисто теоретичните, до косвените проучвания на въздействието, което оказват върху заобикалящата материя, до изследването на самите гравитационни вълни. Може би един ден всъщност ще можем да ги изучим директно или (ако не е много да се надяваме) да надникнем директно в тях!
