Najbardziej szczegółowe w historii symulacje czarnej dziury pozwoliły rozwiązać odwieczną zagadkę

Grafika przedstawia jak wewnętrzny region dysku akrecyjnego (czerwony) dopasowuje się do równikowej płaszczyzny czarnej dziury. Zewnętrzny dysk pozostaje nachylony względem tej płaszczyzny. Źródło: Sasha Tchekovskoy/Northwestern University; Matthew Liska/University of Amsterdam

Międzynarodowy zespół naukowców stworzył najbardziej szczegółowe, najwyższej rozdzielczości symulacje czarnej dziury. Symulacje potwierdzają teoretyczne przewidywania dotyczące natury dysków akrecyjnych – materii krążącej i z czasem opadającej na czarną dziurę.

Wyniki badań zostały opublikowane 5 czerwca w periodyku Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Wyniki symulacji przeprowadzonych przez astrofizyków z uniwersytetów Northwestern, w Amsterdamie i w Oxfordzie, wskazują, że najbardziej wewnętrzny region dysku akrecyjnego ustawia się w równikowej płaszczyźnie czarnej dziury.

To odkrycie rozwiązuje tajemnicę pierwotnie opisaną przez fizyka i laureata Nagrody Nobla Johna Bardeena oraz astrofizyka Jacobusa Pettersona w 1975 roku. Wtedy to Bardeen i Petterson twierdzili, że wirująca czarna dziura powinna powodować, że wewnętrzny region nachylonego dysku akrecyjnego i tak będzie ustawiał się w płaszczyźnie równikowej czarnej dziury.

Po wielu dekadach poszukiwań dowodów na efekt Bardeena-Pettersona, przeprowadzone ostatnio symulacje odkryły, że podczas gdy zewnętrzny region dysku akrecyjnego pozostaje nachylone, to jego wewnętrzny region dopasowuje się do płaszczyzny równikowej czarnej dziury. Gładkie zagięcie łączy region zewnętrzny z wewnętrznym. Badacze doszli do tego zmniejszając grubość dysku akrecyjnego do niespotykanego stopnia i uwzględniając turbulencje magnetyczne, które odpowiadają za akrecję dysku.

“To przełomowe odkrycie efektu Bardeena-Pettersona rozwiązuje problem, który prześladował astrofizyków od ponad czterech dekad” mówi Alexander Czekowski z Uniwersytetu Northwestern. “Te szczegóły w bezpośrednim otoczeniu czarnej dziury mogą się wydawać niewielkie, ale w ogromnym stopniu wpływają na to co się dzieje wewnątrz galaktyki. Takie efekty kontrolują tempo rotacji czarnej dziury, a tym samym, to jaki wpływ czarne dziury wywierają na całą galaktykę”.

“Owe symulacje nie tylko rozwiązują 40-letni problem, ale dowiodły, wbrew powszechnemu rozumieniu, że możliwe jest symulowanie najjaśniejszych dysków akrecyjnych z uwzględnieniem ogólnej teorii względności” mówi Matthew Liska z Uniwersytetu w Amsterdamie. “W ten sposób utorowaliśmy sobie drogę do następnej generacji symulacji, które pozwolą nam rozwiązać jeszcze ważniejsze problemy dotyczące jasnych dysków akrecyjnych”.

Niemal wszystko co naukowcy wiedzą o czarnych dziurach, wiemy na podstawie badań dysków akrecyjnych. Bez tych jasnych pierścieni gazu, pyłu i innych pozostałości po gwiazdach krążących wokół czarnych dziur, astronomowie nie byliby w stanie dostrzec czarnych dziur, aby móc je badać. Dyski akrecyjne kontrolują także wzrost i tempo rotacji czarnej dziury, a więc zrozumienie ich natury jest kluczowe do zrozumienia ewolucji i funkcji czarnych dziur.

Ustawienie dysku wpływa na rozkręcanie czarnej dziury. Dlatego też wpływa na ewolucję spinu czarnej dziury w czasie i na to jak uwalnia ona wypływy, które wpływają na ewolucję galaktyki macierzystej.

Od czasów Bardeena i Pettersona do dnia dzisiejszego, symulacje były zbyt uproszczone, aby mogły potwierdzić to wyrównanie wewnętrznej części dysku. Astrofizycy obliczeniowi musieli zmierzyć się z dwoma ograniczeniami. Po pierwsze, dyski akrecyjne zbliżają się tak bardzo do bliskiej dziury, że poruszają się w zakrzywionej czasoprzestrzeni, która opada do czarnej dziury z ogromną prędkością. Co więcej, rotacja czarnej dziury zmusza czasoprzestrzeń do podążania za nią. Właściwe uwzględnienie obu tych kluczowych efektów wymaga ogólnej teorii względności, która przewiduje jak obiekty wpływają na geometrię otaczającej je czasoprzestrzeni.

Po drugie, astrofizycy nie dysponowali mocą obliczeniową pozwalającą na uwzględnienie turbulencji magnetycznych w dysku akrecyjnym. To one pozwalają cząsteczkom dysku utrzymywanie kołowego kształtu i umożliwiają gazom opadanie do wnętrza czarnej dziury.

“Wyobraź sobie, że masz ten cienki dysk. Co więcej, musisz rozdzielić burzliwy ruch wewnątrz dysku. To naprawdę trudne zadanie” mówi Czekowski.

Bez możliwości rozdzielenia tych szczegółów, astrofizycy nie byli w stanie realistycznie symulować czarnych dziur.

Aby opracować kod zdolny do wykonania symulacji nachylonych dysków akrecyjnych wokół czarnych dziur, Czekowski wykorzystał procesory graficzne (GPU) zamiast CPU. Ekstremalnie sprawne w generowaniu grafiki komputerowej i obróbce obrazu, GPU przyspieszają powstawanie obrazów na ekranie. Znacznie lepiej sobie radzą z obliczaniem algorytmów uwzględniających ogromne ilości danych niż tradycyjne procesory CPU.

Czekowski porównuje GPU do 1000 koni, a CPU do Ferrari z silnikiem o mocy 1000 KM.

“Powiedzmy, że przenosisz się do nowego mieszkania” tłumaczy. “Będziesz musiał wiele razy jeździć od mieszkania do mieszkania swoim Ferrari, bo nie zmieści się w nim zbyt dużo bagażu. Ale gdybyś mógł zapakować po jednym pudełku na każdego z tysiąca koni, to mógłbyś wszystko przewieźć za jednym razem. I to jest właśnie moc GPU. GPU posiada wiele elementów, z których każdy jest wolniejszy od CPU, ale za to jest ich ogromnie dużo”.

Wykorzystanie procesorów graficznych przyspieszyło symulację, dzięki czemu badacze byli w stanie stworzyć symulacje bardzo cienkich dysków akrecyjnych z proporcji wysokość do promienia na poziomie 0,03. Symulując tak cienki dysk, badacze byli w stanie dostrzec zrównywanie płaszczyzny dysku akrecyjnego tuż przy samej czarnej dziurze.

“Najcieńsze wcześniej symulowane dyski miały stosunek wysokości do promienia rzędu 0,05, a okazuje się, że interesujące rzeczy dzieją się dopiero przy 0,03” mówi Czekowski.

Co ciekawe, nawet w przypadku tak cienkich dysków, czarne dziury wciąż emitują silne dżety cząstek i promieniowania.

“Nikt nie spodziewał się dżetów w przypadku tak cienkich dysków” mówi Czekowski. “Wszyscy spodziewali się, że pola magnetyczne produkujące te dżety rozerwą te cienkie dyski, a mimo to one wciąż tam są, a dzięki temu jesteśmy w stanie rozwiązywać takie zagadki obserwacyjne”.

Źródło: Northwestern University

Author: Radek Kosarzycki

Niedoszły astronom. Prawie filolog. Aspołeczny popularyzator nauki. Kulturalny cham.