Mest detaljerede nogensinde simuleringer af sort hul løser mangeårige mysterier

Et internationalt team har konstrueret den mest detaljerede, højeste opløsningssimulering af et sort hul til dato. Simuleringen beviser teoretiske forudsigelser om arten af ​​tilvækstskiver - det stof, der kredser om og til sidst falder ned i et sort hul - som aldrig før er set.

Forskningen offentliggøres den 5. juni i Månedlige meddelelser fra Royal Astronomical Society .

Blandt fundene holdet af beregningsastrofysikere fra Northwestern University, University of Amsterdam og University of Oxford fandt, at det inderste område af en tilvækstskive flugter med dets sorte huls ækvator.

Denne opdagelse løser et mangeårigt mysterium, oprindeligt præsenteret af den nobelprisvindende fysiker John Bardeen og astrofysikeren Jacobus Petterson i 1975. Dengang Bardeen og Petterson hævdede, at et roterende sort hul ville få det indre område af en skrå tilvækstskive til at flugte med dets sorte huls ækvatorialplan.

Efter årtier lang, verdensomspændende kapløb om at finde den såkaldte Bardeen-Petterson-effekt, holdets simulering viste, at hvorimod det ydre område af en accretion disk forbliver på skrå, diskens indre område flugter med det sorte hul. En glat kæde forbinder de indre og ydre regioner. Holdet løste mysteriet ved at fortynde tilvækstskiven i en hidtil uset grad og inkludere den magnetiserede turbulens, der får skiven til at akkretere. Tidligere simuleringer gjorde en væsentlig forenkling ved blot at tilnærme virkningerne af turbulensen.

"Denne banebrydende opdagelse af Bardeen-Petterson linjeføring bringer lukning af et problem, der har hjemsøgt astrofysiksamfundet i mere end fire årtier, " sagde Northwesterns Alexander Tchekhovskoy, som var med til at lede forskningen. "Disse detaljer omkring det sorte hul kan virke små, men de påvirker enormt meget, hvad der sker i galaksen som helhed. De styrer, hvor hurtigt de sorte huller spinder, og som resultat, hvilken effekt sorte huller har på hele deres galakser."

Tchekhovskoy er assisterende professor i fysik og astronomi ved Northwesterns Weinberg College of Arts and Sciences og medlem af CIERA (Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics), et begavet forskningscenter på Northwestern fokuseret på at fremme astrofysikstudier med vægt på tværfaglige forbindelser. Matthew Liska, en forsker ved Universitetet i Amsterdam Anton Pannenkoek Institut for Astronomi, er avisens første forfatter.

"Disse simuleringer løser ikke kun et 40 år gammelt problem, men de har vist, at i modsætning til typisk tankegang, det er muligt at simulere de mest lysende tilvækstskiver i fuld generel relativitetsteori, " sagde Liska. "Dette baner vejen for en næste generation af simuleringer, som jeg håber vil løse endnu vigtigere problemer omkring lysende accretion disks."

Undvigende justering

Næsten alt, hvad forskere ved om sorte huller, er blevet lært ved at studere tilvækstskiver. Uden den intenst lyse ring af gas, støv og andet stjerneaffald, der hvirvler rundt om sorte huller, astronomer ville ikke være i stand til at få øje på et sort hul for at studere det. Accretion disks styrer også et sort huls vækst og rotationshastighed, så forståelse af arten af ​​accretion disks er nøglen til at forstå, hvordan sorte huller udvikler sig og fungerer.

"Justering påvirker, hvordan tilvækstskiver spænder deres sorte huller, " sagde Tchekhovskoy. "Så det påvirker, hvordan et sort huls spin udvikler sig over tid og lancerer udstrømninger, der påvirker udviklingen af ​​deres værtsgalakser."

Fra Bardeen og Petterson indtil i dag, simuleringer er blevet for forenklede til at finde den store linjeføring. To hovedspørgsmål har fungeret som en barriere for beregningsastrofysikere. For en, tilvækstskiver kommer så tæt på det sorte hul, at de bevæger sig gennem fordrejet rumtid, som skynder sig ind i det sorte hul med enorm fart. komplicerer sagerne yderligere, det sorte huls rotation tvinger rum-tid til at dreje rundt om det. Korrekt redegørelse for begge disse afgørende effekter kræver generel relativitetsteori, Albert Einsteins teori, der forudsiger, hvordan objekter påvirker rum-tidens geometri omkring dem.

Sekund, astrofysikere har ikke haft computerkraft til at tage højde for magnetisk turbulens, eller omrøringen inde i accretionskiven. Denne omrøring er det, der får skivens partikler til at holde sammen i en cirkulær form, og hvad der får gas til at falde ned i det sorte hul.

"Forestil dig, at du har denne tynde disk. Så oven i købet, du skal løse de turbulente bevægelser inde i disken, " sagde Tchekhovskoy. "Det bliver et virkelig svært problem."

Uden at være i stand til at løse disse funktioner, beregningsforskere var ude af stand til at simulere realistiske sorte huller.

Knækker koden

At udvikle en kode, der er i stand til at udføre simuleringer af titlen accretion disks omkring sorte huller, Liska og Tchekhovskoy brugte grafiske behandlingsenheder (GPU'er) i stedet for centrale behandlingsenheder (CPU'er). Ekstremt effektiv til at manipulere computergrafik og billedbehandling, GPU'er fremskynder skabelsen af ​​billeder på en skærm. De er meget mere effektive end CPU'er til computeralgoritmer, der behandler store dele af data.

Tchekhovskoy sammenligner GPU'er med 1, 000 heste og CPU'er til en 1, 000 hestekræfter Ferrari.

"Lad os sige, at du skal flytte ind i en ny lejlighed, " forklarede han. "Du bliver nødt til at tage mange ture med denne kraftfulde Ferrari, fordi den ikke passer til mange kasser. Men hvis du kunne sætte en boks på hver hest, du kunne flytte alt på én gang. Det er GPU'en. Den har mange elementer, hver af dem er langsommere end dem i CPU'en, men der er så mange af dem."

Liska tilføjede også en metode kaldet adaptive mesh raffinement, som bruger et dynamisk mesh, eller gitter, som ændrer sig og tilpasser sig bevægelsesstrømmen gennem simuleringen. Det sparer energi og computerkraft ved kun at fokusere på specifikke blokke i gitteret, hvor der sker bevægelse.

GPU'erne accelererede simuleringen væsentligt, og det adaptive mesh øgede opløsningen. Disse forbedringer gjorde det muligt for teamet at simulere den tyndeste accretion-disk til dato, med et højde-til-radius-forhold på 0,03. Da disken blev simuleret så tynd, forskerne kunne se justering ske lige ved siden af ​​det sorte hul.

"De tyndeste skiver simuleret før havde et højde-til-radius-forhold på 0,05, og det viser sig, at alle de interessante ting sker ved 0,03, " sagde Tchekhovskoy.

Som et overraskende fund, selv med disse utroligt tynde accretion disks, det sorte hul udsendte stadig kraftige stråler af partikler og stråling.

"Ingen forventede, at der ville blive produceret jetfly af disse skiver i så små tykkelser, " sagde Tchekhovskoy. "Folk forventede, at de magnetiske felter, der producerer disse jetfly, bare ville rive gennem disse virkelig tynde skiver. Men der er de. Og det hjælper os faktisk med at løse observationsmysterier."