Găurile negre au fost o sursă nesfârșită de fascinație de când teoria lui Einstein despre relativitatea generală a prezis existența lor. În ultimii 100 de ani, studiul găurilor negre a avansat considerabil, dar rămâne uimirea și misterul acestor obiecte. De exemplu, oamenii de știință au observat că, în unele cazuri, găurile negre au jeturi masive de particule încărcate care provin din ele, care se extind pe milioane de ani-lumină.
Aceste „jeturi relativiste” - așa-numite pentru că propulsă particule încărcate cu o fracțiune a vitezei luminii - au nedumerit astronomi de ani de zile. Dar, datorită unui studiu recent realizat de o echipă internațională de cercetători, s-au obținut noi perspective asupra acestor jeturi. În concordanță cu Relativitatea generală, cercetătorii au arătat că aceste jeturi precesează treptat (adică schimbarea direcției) ca urmare a faptului că spațiul-timp a fost târât în rotația găurii negre.
Studiul lor, intitulat „Formarea jeturilor de prelucrare de către discurile cu găuri negre înclinate în simulări 3D relativ relativ MHD”, a apărut recent în Avize lunare ale Royal Astronomical Society. Echipa a fost formată din membri ai Centrului de explorare și cercetare interdisciplinară în astrofizică (CIERA) de la Universitatea Northwestern.
De dragul studiului lor, echipa a realizat simulări folosind supercomputerul Blue Waters de la Universitatea din Illinois. Simulările pe care le-au efectuat au fost primele care au modelat comportamentul jeturilor relativiste provenite de la găurile negre supermasive (SMBHs). Cu aproape un miliard de celule de calcul, a fost, de asemenea, simularea cu cea mai înaltă rezoluție a unei găuri negre atrăgătoare realizată vreodată.
După cum a explicat Alexander Tchekhovskoy, profesor asistent de fizică și astronomie la Colegiul de Arte și Științe Weinberg din Northwestern, într-un comunicat de presă recent Northwestern Now:
„Înțelegerea modului în care găurile negre rotative trage spațiul-timp din jurul lor și modul în care acest proces afectează ceea ce vedem prin telescoape rămâne un puzzle crucial, dificil de crăpat. Din fericire, descoperirile în dezvoltarea codului și salturile în arhitectura supercomputerului ne aduc din ce în ce mai aproape de găsirea răspunsurilor. "
La fel ca toate găurile negre Supermassive, SMBH-urile care învârt rapid înglobează în mod regulat (de asemenea, acre) materie. Cu toate acestea, găurile negre care se învârt rapid sunt cunoscute și pentru modul în care emit energie sub formă de jeturi relativiste. Materia care alimentează aceste găuri negre formează un disc rotativ în jurul lor - aka. un disc de acreție - care se caracterizează prin conducte calde, energizate și linii de câmp magnetic.
Prezenta acestor linii de câmp permite gaurilor negre să propulseze energia sub forma acestor jeturi. Deoarece aceste jeturi sunt atât de mari, sunt mai ușor de studiat decât în sine găurile negre. Procedând astfel, astronomii sunt capabili să înțeleagă cât de repede se schimbă direcția acestor jeturi, ceea ce dezvăluie lucruri despre rotația în sine a găurilor negre - cum ar fi orientarea și dimensiunea discurilor rotative.
Simulările computerizate avansate sunt necesare atunci când este vorba de studiul găurilor negre, în mare parte pentru că nu sunt observabile în lumina vizibilă și sunt, de obicei, foarte îndepărtate. De exemplu, cel mai apropiat SMBH de Pământ este Săgetătorul A *, care este situat la aproximativ 26.000 de ani-lumină distanță în centrul galaxiei noastre. Ca atare, simulările sunt singura modalitate de a determina modul în care funcționează un sistem extrem de complex precum o gaură neagră.
În simulările anterioare, oamenii de știință au operat sub presupunerea că discurile cu găuri negre erau aliniate. Cu toate acestea, majoritatea SMBH-urilor au descoperit discuri înclinate - adică discurile se rotesc în jurul unei axe separate decât gaura neagră în sine. Prin urmare, acest studiu a fost esențial prin faptul că a arătat cum discurile pot schimba direcția în raport cu gaura lor neagră, ceea ce duce la precesiunea jeturilor care își schimbă periodic direcția.
Acest lucru nu a fost cunoscut anterior din cauza cantității incredibil de puternice de calcul necesare pentru a construi simulări tridimensionale ale regiunii care înconjoară o gaură neagră învârtită rapid. Cu sprijinul unei finanțări a National Science Foundation (NSF), echipa a reușit să realizeze acest lucru prin utilizarea Blue Waters, unul dintre cei mai mari supercomputere din lume.
Cu acest supercomputer la dispoziția lor, echipa a putut să construiască primul cod de simulare a găurii negre, pe care l-au accelerat folosind unități de procesare grafică (GPU). Datorită acestei combinații, echipa a putut să efectueze simulări care au avut cel mai înalt nivel de rezoluție atins vreodată - adică aproape de un miliard de celule de calcul. După cum a explicat Tchekhovskoy:
„Rezoluția înaltă ne-a permis, pentru prima dată, să ne asigurăm că mișcările de discuri turbulente la scară mică sunt surprinse cu exactitate în modelele noastre. Spre surprinderea noastră, aceste mișcări s-au dovedit a fi atât de puternice încât au făcut ca discul să se îngrașe și precesiunea discului să se oprească. Acest lucru sugerează că precesiunea se poate produce în explozii. "
Precesiunea jeturilor relativiste ar putea explica de ce au fost observate fluctuații de lumină provenind din jurul găurilor negre din trecut - care sunt cunoscute ca oscilații cvasi-periodice (QPO). Aceste fascicule, care au fost descoperite pentru prima dată de Michiel van der Klis (unul dintre coautorii studiului), funcționează în același mod ca grinzile unui quasar, care par să aibă un efect stroboscop.
Acest studiu este unul dintre numeroasele care se desfășoară pe găuri negre rotative din întreaga lume, scopul fiind acela de a obține o mai bună înțelegere a descoperirilor recente precum undele gravitaționale, care sunt cauzate de fuziunea găurilor negre. Aceste studii sunt, de asemenea, aplicate la observații din Telescopul Orizontului evenimentului, care a surprins primele imagini ale umbrei Săgetătorului A *. Ceea ce vor dezvălui este sigur că va excita și va uimi, și va adânci potențial misterul găurilor negre.
În secolul trecut, studiul găurilor negre a avansat considerabil - de la cele pur teoretice, la studii indirecte ale efectelor pe care le au asupra materiei înconjurătoare, la studiul undelor gravitaționale. Poate într-o bună zi, am putea să le studiem direct sau (dacă nu este prea mult să sperăm) să le aruncăm cu privirea direct în interiorul lor!
