Sort huls gennembrud:Ny indsigt i mystiske jetfly

Gennem første af deres slags supercomputersimuleringer, forskere, herunder en professor fra Northwestern University, har fået ny indsigt i et af de mest mystiske fænomener i moderne astronomi:adfærden af ​​relativistiske jetfly, der skyder fra sorte huller, strækker sig udad over millioner af lysår.

Avancerede simuleringer skabt med en af ​​verdens mest kraftfulde supercomputere viser, at jetflyenes strømme gradvist ændrer retning på himlen, eller præcess, som et resultat af, at rumtid trækkes ind i rotation af det sorte hul. Denne adfærd stemmer overens med Albert Einsteins forudsigelser om ekstrem tyngdekraft nær roterende sorte huller, offentliggjort i hans berømte teori om almen relativitet.

"Det er stadig vigtigt at forstå, hvordan roterende sorte huller trækker rumtiden rundt om dem, og hvordan denne proces påvirker det, vi ser gennem teleskoperne. svært at knække puslespil, " sagde Alexander Tchekhovskoy, assisterende professor i fysik og astronomi ved Northwesterns Weinberg College of Arts and Sciences. "Heldigvis, gennembruddene inden for kodeudvikling og spring i supercomputerarkitektur bringer os stadig tættere på at finde svarene."

Studiet, offentliggjort i Månedlige meddelelser fra Royal Astronomical Society , er et samarbejde mellem Tchekhovskoy, Matthew Liska og Casper Hesp. Liska og Hesp er undersøgelsens hovedforfattere og kandidatstuderende ved University of Amsterdam, Holland.

Hurtigt roterende sorte huller opsluger ikke kun stoffet, men udsender også energi i form af relativistiske jetfly. Svarende til hvordan vand i et badekar danner et boblebad, når det går ned i et afløb, gas- og magnetfelterne, der føder et supermassivt sort hul, hvirvler for at danne en roterende skive - en sammenfiltret spaghetti af magnetfeltlinjer blandet til en bouillon med varm gas. Mens det sorte hul fortærer denne astrofysiske suppe, den sluger bouillonen, men lader den magnetiske spaghetti dingle ud af munden. Dette gør det sorte hul til en slags affyringsrampe, hvorfra energi, i form af relativistiske jetfly, skud fra nettet af snoet magnetisk spaghetti.

De stråler, der udsendes af sorte huller, er nemmere at studere end selve de sorte huller, fordi strålerne er så store. Denne undersøgelse gør det muligt for astronomer at forstå, hvor hurtigt jetretningen ændrer sig, som afslører information om sort huls spin samt orienteringen og størrelsen af ​​den roterende skive og andre svære at måle egenskaber ved sort huls tilvækst.

Mens næsten alle tidligere simuleringer betragtede justerede diske, i virkeligheden, de fleste galakseres centrale supermassive sorte huller menes at indeholde vippede diske - hvilket betyder, at disken roterer omkring en separat akse end selve det sorte hul. Denne undersøgelse bekræfter, at hvis den vippes, skiver ændrer retning i forhold til det sorte hul, foregår som en snurretop. For første gang, simuleringerne viste, at sådanne vippede skiver fører til forestående jetfly, der periodisk ændrer retning på himlen.

En vigtig grund til at forudgående jetfly ikke blev opdaget tidligere er, at 3D-simuleringer af området omkring et hurtigt snurrende sort hul kræver en enorm mængde beregningskraft. For at løse dette problem, forskerne konstruerede den første sorte hul-simuleringskode, der blev accelereret af grafiske behandlingsenheder (GPU'er). Et tilskud fra National Science Foundation gjorde det muligt for dem at udføre simuleringerne på Blue Waters, en af ​​de største supercomputere i verden, placeret ved University of Illinois.

Sammenløbet af den hurtige kode, som effektivt bruger en banebrydende GPU-arkitektur, og Blue Waters-supercomputeren gjorde det muligt for holdet at udføre simuleringer med den højeste opløsning, der nogensinde er opnået - op til en milliard beregningsceller.

"Den høje opløsning tillod os, for første gang, for at sikre, at små turbulente skivebevægelser fanges nøjagtigt i vores modeller, " sagde Tchekhovskoy. "Til vores overraskelse, disse bevægelser viste sig at være så kraftige, at de fik skiven til at blive fed og diskprecessionen til at stoppe. Det tyder på, at præcession kan opstå i stød."

Fordi ophobning på sorte huller er et meget komplekst system, der ligner en orkan, men placeret så langt væk, at vi ikke kan skelne mange detaljer, simuleringer tilbyder en effektiv måde at give mening i teleskopobservationer og forstå opførselen af ​​sorte huller.

Simuleringsresultaterne er vigtige for yderligere undersøgelser, der involverer roterende sorte huller, som i øjeblikket gennemføres over hele verden. Gennem disse bestræbelser astronomer forsøger at forstå nyligt opdagede fænomener såsom de første påvisninger af gravitationsbølger fra kollisioner med neutronstjerner og det medfølgende elektromagnetiske fyrværkeri samt almindelige stjerner, der bliver opslugt af supermassive sorte huller.

Beregningerne anvendes også til at fortolke observationerne af Event Horizon Telescope (EHT), som fangede de første optagelser af den supermassive sorte huls skygge i midten af ​​Mælkevejen.

Derudover jetflyenes præcession kunne forklare udsving i intensiteten af ​​lys, der kommer fra omkring sorte huller, kaldet kvasi-periodiske oscillationer (QPO'er). Sådanne svingninger kan forekomme på samme måde som den måde, hvorpå den roterende stråle fra et fyrtårn øges i intensitet, når den passerer forbi en observatør. QPO'er blev først opdaget nær sorte huller (som røntgenstråler) i 1985 af Michiel van der Klis (University of Amsterdam), der er medforfatter til den nye artikel.