|
Неожиданные температуры вблизи горизонта событий M87
|
|
|
|
Первые снимки черных дыр ошеломили мир в 2019 году, когда заголовки газет сообщали о наличии светящегося объекта в форме пончика в центре галактики Мессье 87 (M87) на расстоянии 55 миллионов световых лет от Земли. Моделирование на суперкомпьютере в настоящее время помогает ученым лучше понять окружающую среду за пределами "тени" черной дыры, материал, находящийся непосредственно за горизонтом событий.
|
|
|
|
"С тех пор как мы сделали это первое изображение черной дыры, было проделано много работы, чтобы понять окружающую среду непосредственно вокруг черной дыры", - сказал Эндрю Чейл, младший научный сотрудник Принстонского университета и член Принстонской гравитационной инициативы.
|
|
|
|
Chael является частью проекта Event Horizon Telescope Collaboration (EHT), который объединяет телескопы со всего мира для создания мегателескопа размером примерно с Землю. EHT использует метод, называемый интерферометрией с очень длинной базовой линией, - тип астрономической интерферометрии, используемый в радиоастрономии, который сравнивает сигналы телескопов для объединения изображений, позволяющих разглядеть черную дыру M87.
|
|
|
|
На изображении черной дыры показан свет от горячих электронов, которые вращаются вокруг окружающих линий магнитного поля и создают синхротронное излучение.
|
|
|
|
|
|
|
"Мы хотим понять природу частиц этой плазмы, которые поглощает черная дыра, и детали магнитных полей, смешанных с плазмой, которая в M87 выбрасывает огромные светящиеся струи субатомных частиц", - сказал Чейл.
|
|
|
|
Подобно маяку, струи сигнализируют о возможном присутствии черной дыры в центре галактики M87, поскольку она выбрасывает частицы за тысячи световых лет от источника.
|
|
Использование суперкомпьютеров для моделирования плазмы, магнетизма и гравитации черной дыры
|
|
|
|
По всему миру ученые используют возможности суперкомпьютеров, чтобы исследовать одну из самых экстремальных сред во Вселенной - пространство вокруг черных дыр.
|
|
|
|
Исследовательская группа Чейла входит в число тех, кто использует передовые методы моделирования для моделирования динамического взаимодействия между высокоэнергетической плазмой, мощными магнитными полями и подавляющим притяжением вблизи этих космических гигантов. Эти силы не действуют изолированно — они взаимодействуют сложным образом, управляемым обратной связью, что позволяет черным дырам поглощать окружающую материю, выбрасывать струи на огромные расстояния и испускать яркое излучение, улавливаемое телескопом Event Horizon.
|
|
|
|
О последних достижениях Чейла в области методов моделирования сообщается в его исследовании, опубликованном в феврале 2025 года в журнале Monthly Notices Королевского астрономического общества. Они выходят за рамки типичных симуляций, в которых электрически заряженные частицы в виде протонов и электронов в плазме, окружающей черную дыру, рассматриваются как единая жидкость.
|
|
|
|
"Эта статья является первой попыткой использования более продвинутого и более дорогостоящего в вычислительном отношении метода для непосредственного моделирования этих отдельных видов частиц - электронов и протонов, чтобы попытаться понять, как они взаимодействуют и, в частности, какова их относительная температура", - пояснил он.
|
|
|
|
Относительная температура между электронами и протонами определяет яркость и другие свойства изображения черной дыры.
|
|
|
|
"С помощью моделирования мы обнаружили, что температура электронов намного выше, чем обычно считается в случае с M87. Мы не в состоянии воспроизвести низкую поляризацию, которая является одним из главных препятствий для понимания того, какова температура плазмы вокруг черной дыры", - сказал Чейл.
|
|
|
|
Полученные результаты подчеркивают фундаментальное противоречие между современными моделями электронного нагрева в физике плазмы и наблюдательными ограничениями, предоставляемыми EHT.
|
|
|
|
"Похоже, что в черной дыре в M87 есть электроны, которые примерно в 100 раз холоднее протонов. Это интересное направление для дальнейшего развития", - сказал Чейл.
|
|
|
|
Чейл завершил моделирование черных дыр на суперкомпьютерах Stampede2, а затем и на суперкомпьютере Stampede3 в Техасском центре передовых вычислений (TACC), благодаря финансируемой Национальным научным фондом (NSF) программе Advanced Cyberinfrastructure Coordination Ecosystem: Services & Support (ДОСТУП).
|
|
|
|
"Я использую XSEDE, а теперь получаю доступ к ресурсам TACC еще со времен аспирантуры", - сказал Чел. "Это был основной академический суперкомпьютерный центр, в котором я проводил моделирование для своих исследований. Обе эти системы были чрезвычайно просты в использовании с моим кодом", - сказал Чейл.
|
|
|
|
Для этого исследования на Stampede2 и Stampede3 была выполнена серия из 11 общерелятивистских магнитогидродинамических симуляций (GRMHD), которые охватывают ряд различных вращений черных дыр. Таким образом, "общая теория относительности" объясняет сильную гравитацию пространства-времени черной дыры. "Магнитогидродинамика" использует гидродинамический подход к магнитным полям черной дыры.
|
|
|
|
Впереди еще много исследований
|
|
|
|
Есть данные EHT за несколько лет, которые еще не были обработаны, и компания надеется снять фильм, в котором будет прослежена их эволюция с течением времени.
|
|
|
|
В январе 2025 года Чейл и его коллеги из EHT опубликовали исследование, в котором сравнивалось изображение черной дыры M87, полученное с помощью EHT, с широким спектром симуляций. Для поддержки этой работы он получил доступ к вычислительным ресурсам на суперкомпьютерах Stampede2 и Jetstream, а также провел моделирование на системе Frontera, финансируемой NSF, в TACC.
|
|
|
|
Моделирование с высоким разрешением показало, что, хотя тень черной дыры из года в год остается на удивление неизменной по размеру и общей структуре, она далека от статичности. Кроме того, самое яркое пятно на кольце со временем смещается, что обусловлено турбулентным перемешиванием и динамическими потоками плазмы вблизи горизонта событий. По мере того как различные области газа нагреваются или остывают из-за этих хаотических процессов, внешний вид черной дыры незаметно, но ощутимо меняется.
|
|
|
|
"Черные дыры представляют собой чрезвычайно сложную среду", - сказал Чейл. "Лучшие доступные инструменты, которые у нас есть, - это суперкомпьютерное моделирование. Удивительно, что мы смогли создать эти компьютеры и коды, которые позволяют нам создавать точные модели того, что происходит в таких странных и сложных отношениях. Моделирование дает нам уверенность в том, что мы учитываем все эти эффекты, которые взаимодействуют сложным и иногда непредсказуемым образом".
|
|
|
|
Источник
|
