|
Черные дыры генерируют свет от падающей материи
|
|
|
|
Удивительно, но некоторые из самых ярких объектов Вселенной являются черными дырами. Когда раскаленный газ и пыль обтекают черную дыру и попадают в нее, они светятся с невероятной интенсивностью во всем световом спектре. Теперь команда астрофизиков-вычислителей разработала самое полное из когда-либо созданных симуляций того, как черные дыры создают эти ослепительные световые шоу.
|
|
|
|
Используя суперкомпьютеры, исследователи рассчитали поведение вещества, вращающегося вокруг черных дыр. В отличие от всех предыдущих исследований, которые основывались на упрощенных приближениях, исследователи использовали полное представление о том, как свет движется и взаимодействует с материей в рамках общей теории относительности Альберта Эйнштейна.
|
|
Моделирование пролило свет на маленькие красные точки
|
|
|
|
Их результаты могли бы помочь объяснить сотни странных, слабо светящихся объектов, известных как маленькие красные точки (LRD), замеченных в ранней Вселенной космическим телескопом Джеймса Уэбба. Ведущая теория, подтвержденная новыми результатами, предполагает, что эти точки являются черными дырами, которые поглощают вещество в процессе, называемом "суперэддингтоновской аккрецией", в сердцевинах первичных галактик. Исследователи представили результаты своего моделирования в статье, опубликованной 3 декабря в Astrophysical Journal.
|
|
|
|
"Это первый раз, когда мы смогли увидеть, что происходит, когда наиболее важные физические процессы аккреции черных дыр точно учтены", - говорит Лицжонг Чжан, ведущий автор исследования и научный сотрудник Института Флэтайрон при Фонде Саймонса в Нью-Йорке.
|
|
|
|
|
|
|
"Любое чрезмерно упрощающее предположение может полностью изменить результат. Самое интересное, что наше моделирование теперь воспроизводит удивительно согласованное поведение всех систем черных дыр, наблюдаемых на небе, от сверхярких рентгеновских источников до двойных рентгеновских систем. В некотором смысле, нам удалось "наблюдать" за этими системами не через телескоп, а с помощью компьютера".
|
|
Достижения в области вычислительной астрофизики
|
|
|
|
Чжан является совместным научным сотрудником Института перспективных исследований (IAS) в Принстоне, штат Нью-Джерси, и Центра вычислительной астрофизики (CCA) при Институте Флэтайрона. Чжан был соавтором нового исследования с сотрудниками IAS, CCA, Лос-Аламосской национальной лаборатории и Университета Вирджинии. Это исследование является первым в серии работ, в которых будет представлен новый вычислительный подход команды и его применение к нескольким классам систем, связанных с черными дырами.
|
|
|
|
Из-за их чрезвычайной гравитации ни одна модель черных дыр не считалась бы завершенной без учета общей теории относительности Эйнштейна, которая описывает, как самые массивные тела искажают структуру пространства-времени. Это пространственно-временное искажение формирует то, как свет, создаваемый падающим материалом, перемещается и взаимодействует с окружающим материалом.
|
|
|
|
Эти полные общие релятивистские уравнения трудно решить даже на мощных компьютерах. Предыдущие модели использовали упрощенные методы расчета излучения. "Предыдущие методы использовали приближения, которые рассматривали излучение как своего рода жидкость, что не отражало его реального поведения", - объясняет Чжан.
|
|
|
|
Объединив знания, накопленные за десятилетия работы, команда разработала новые алгоритмы, которые могут напрямую решать уравнения, не жертвуя точностью и не требуя чрезмерных вычислительных мощностей. "Наш алгоритм - единственный из существующих на данный момент, который обеспечивает решение, рассматривая излучение таким, каким оно есть на самом деле в общей теории относительности", - говорит Чжан.
|
|
|
|
В их статье рассматривается аккреция в черные дыры звездной массы, которые примерно в 10 раз превышают массу Солнца, хотя и имеют относительный вес по сравнению со Стрельцом А*, сверхмассивной черной дырой в центре нашей галактики, масса которой более чем в 4 миллиона раз превышает массу нашего Солнца.
|
|
|
|
Моделирование имеет важное значение для понимания черных дыр звездной массы. Несмотря на то, что были получены изображения сверхмассивных черных дыр с высоким разрешением, черные дыры со звездной массой невозможно наблюдать таким же образом, они выглядят только как точки света.
|
|
|
|
Вместо этого исследователи должны преобразовать свет в спектр, который предоставляет данные для составления карты распределения энергии вокруг черной дыры. По сравнению со сверхмассивными черными дырами, которые эволюционируют годами или даже столетиями, черные дыры звездной массы изменяются в человеческих масштабах от минут до часов, что делает их идеальными для изучения эволюции этих систем в режиме реального времени.
|
|
|
|
В ходе моделирования ученые зафиксировали, как вещество ведет себя, когда оно движется по спирали к черным дырам звездной массы, образуя турбулентные диски, в которых преобладает излучение, вызывая мощные ветры и иногда даже создавая мощные струи. Команда обнаружила, что их модель удивительно хорошо согласуется со спектром света, полученным на основе данных наблюдений. Такое соответствие между моделированием и наблюдениями имеет решающее значение, позволяя улучшить интерпретацию ограниченных данных, доступных для этих удаленных объектов.
|
|
Суперкомпьютеры и передовые алгоритмы
|
|
|
|
Чжан и его исследовательская группа получили доступ к двум самым мощным в мире суперкомпьютерам Frontier и Aurora, расположенным в Национальной лаборатории Ок-Риджа и Аргоннской национальной лаборатории соответственно, для моделирования аккреции черных дыр. Эти "сверхмасштабные" компьютеры способны выполнять квинтиллион операций в секунду.
|
|
|
|
Даже при всей этой вычислительной мощности исследователям все равно требовался умный код и сложная математика для получения точных результатов. Кристофер Уайт из CCA и Принстонского университета руководил разработкой алгоритма переноса излучения. Патрик Маллен из Лос-Аламосской национальной лаборатории руководил реализацией алгоритма в коде, оптимизированном для масштабных вычислений.
|
|
|
|
Моделирование было построено на основе алгоритма, разработанного Янь-Фэй Цзяном из CCA, который сочетает в себе зависящий от угла алгоритм, отслеживающий взаимодействие и перемещение излучения, с моделью того, как жидкость обтекает вращающуюся сферу в присутствии сильного магнитного поля. (Работа Цзяна в настоящее время широко используется астрофизическим сообществом для изучения таких объектов, как черные дыры и массивные звезды.)
|
|
Дальнейшие направления и текущие исследования
|
|
|
|
В будущем команда, стоящая за новым моделированием, будет работать над тем, чтобы определить, применима ли модель ко всем типам черных дыр. В дополнение к черным дырам звездной массы, их моделирование может улучшить понимание сверхмассивных черных дыр, которые управляют эволюцией галактик, а также дополнительно исследовать происхождение маленьких красных точек, обнаруженных космическим телескопом Джеймса Уэбба.
|
|
|
|
Моделирование показывает, что эти объекты, возможно, излучают больше света, чем предел Эддингтона, — баланс между гравитационной силой, притягивающей вещество внутрь, и внешним давлением излучения, выделяемого падающим веществом, при условии, что поток имеет идеальную сферическую форму. В этом случае черные дыры излучают больше энергии, чем может компенсировать направленное внутрь притяжение.
|
|
|
|
Команда продолжит совершенствовать свой подход, чтобы учесть различные способы взаимодействия излучения с веществом в широком диапазоне температур и плотностей.
|
|
|
|
"Теперь задача состоит в том, чтобы понять всю науку, которая вытекает из этого", - говорит Джеймс Стоун, профессор IAS и соавтор новой статьи.
|
|
|
|
Источник
|
