Суперкомпьютеры позволили создать самую полную модель аккреции черных дыр

Результаты работы группы исследователей, возглавляемой специалистами из Института перспективных исследований и Центра вычислительной астрофизики Института Флэтайрон, опубликованы в Astrophysical Journal. В основу этого масштабного достижения легли десятилетия исследований в области физики черных дыр. 

Аккреция черной дыры – это процесс, при котором масса черной дыры увеличивается за счет захвата окружающей материи. Когда вещество попадает в черную дыру, оно образует вращающуюся, разогретую структуру, называемую аккреционным диском. Это явление было впервые зафиксировано учеными с помощью «Телескопа горизонта событий» (EHT).

Черные дыры сильно отличаются по размеру. Самая крупная из когда-либо наблюдавшихся, Феникс А, имеет массу по меньшей мере в 100 млрд раз превышающую солнечную. Из-за таких невероятных размеров и, как следствие, сложности моделирования аккреции, в предыдущих моделях использовались упрощенные данные. Например, физикам приходилось моделировать мощнейшее излучение аккреционного диска, представляя его в виде некой жидкости, что не отражало его истинной природы.

Как пояснил ведущий автор исследования Личжун Чжан, главная сложность всегда заключалась в экстремальной нелинейности аккреции черных дыр, поэтому даже малейшее упрощение могло полностью исказить конечный результат. Исследователи разработали и применили принципиально новые алгоритмы, которые позволили избежать приблизительных расчетов. В результате им удалось рассмотреть излучение именно таким, каким оно является в рамках общей теории относительности.

В своей работы исследователи сконцентрировались на черных дырах звездной массы, которые примерно в 10 раз превышают солнечную. Они относительно небольшие, по сравнению с другими черными дырами, и изменяются в течение нескольких часов или даже минут. Это делает их идеальными «лабораториями» для изучения эволюции черных дыр.

Ученые обнаружили, что по мере приближения к черным дырам звездной массы, материя образует турбулентные диски с интенсивным излучением. Это формирует мощные ветры, а также может приводить к образованию мощных струй (джетов). Примечательно, что спектр излучения, полученный в симуляции, с удивительной точностью совпал с теми скудными данными наблюдений, которыми располагают астрономы.

Для своего исследования ученые использовали суперкомпьютеры Frontier и Aurora в Окриджской национальной лаборатории и Аргоннской национальной лаборатории. Эти масштабные машины являются одними из самых мощных в мире и могут выполнять квинтиллион операций в секунду.

«Что самое интересное, так это то, что наше моделирование воспроизводит удивительно согласованное поведение всех систем черных дыр, наблюдаемых на небе, – от сверхярких рентгеновских источников до двойных рентгеновских систем. В некотором смысле, нам удалось «понаблюдать» за этими системами не в телескоп, а с помощью компьютера», – пояснил Личжун Чжан.

Ранее ученые доказали, что вблизи черной дыры могут стабильно существовать звезды.

 Иллюстрация L. Zhang.