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.

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.

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.

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.

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

Источник