Černé díry jsou jednou z nejúžasnějších a nejzáhadnějších sil ve vesmíru. Tyto body v časoprostoru, původně předpovídané Einsteinovou teorií obecné relativity, se vytvářejí, když se masivní hvězdy na konci svého života dostanou do gravitačního kolapsu. Navzdory desetiletím studia a pozorování o tomto jevu stále toho nevíme.
Například, vědci jsou stále velmi ve tmě o tom, jak se chová hmota, která padá na oběžné dráze kolem černé díry a je na ni postupně přiváděna (akreční disky). Díky nedávné studii, kde mezinárodní tým vědců provedl doposud nejpodrobnější simulace černé díry, bylo konečně validováno množství teoretických předpovědí o akrečních discích.
Tým se skládal z výpočetních astrofyziků z amsterodamského institutu Anton Pannekoek pro astronomii, Centra pro mezioborový výzkum a výzkum v astrofyzice v severozápadní univerzitě (CIERA) a Oxfordské univerzity. Jejich výzkumné poznatky se objevily v 5 Měsíční oznámení Královské astronomické společnosti.
Mezi jejich nálezy tým potvrdil teorii původně předloženou v roce 1975 Jamesem Bardeenem a Jacobusem Pettersonem, který se stal známým jako Bardeen-Pettersonův efekt. V souladu s touto teorií tým zjistil, že zatímco vnější oblast akrečního disku zůstane nakloněná, vnitřní oblast disku se vyrovná rovníku jeho černé díry.
Jednoduše řečeno, studiem akrečních disků se dozvědělo téměř všechno, co vědci vědí o černých dírách. Bez těchto jasných prstenů plynu a prachu je nepravděpodobné, že by vědci dokázali lokalizovat černé díry. A co víc, růst a rychlost černé díry závisí také na jejím akrečním disku, díky čemuž je jejich studium nezbytné pro pochopení vývoje a chování černých děr.
Jako Alexander Tchekhovskoy, an
Od té doby, co Bardeen a Petterson navrhli svou teorii, simulace černé díry trpěly řadou problémů, které jim zabránily určit, zda k tomuto sladění dojde. Zaprvé, když se akreční disky přiblíží k horizontu událostí, zrychlují na obrovské rychlosti a pohybují se zdeformovanými oblastmi časoprostoru.
Druhým problémem, který dále komplikuje záležitosti, je skutečnost, že rotace černé díry nutí prostorový čas točit kolem ní. Oba tyto problémy vyžadují, aby astrofyzici odpovídali za účinky obecné relativity, ale zůstává zde otázka magnetické turbulence. Tato turbulence způsobuje, že částice disku drží pohromadě v kruhovém tvaru a
Až doposud neměli astrofyzici výpočetní sílu, která by za toto všechno odpovídala. Pro vývoj robustního kódu schopného provádět simulace, které odpovídaly za GR a magnetickou turbulenci, vyvinul tým kód založený na grafických procesorových jednotkách (GPU). Ve srovnání s konvenčními jednotkami centrálního zpracování (CPU) jsou GPU mnohem efektivnější v algoritmech zpracování obrazu a výpočtů, které zpracovávají velké množství dat.
Tým také začlenil metodu nazvanou adaptivní upřesnění sítě, která šetří energii soustředěním pouze na specifické bloky, kde dochází k pohybu, a podle toho se přizpůsobuje. Pro ilustraci rozdílu porovnal Tchekhovskoy GPU a
"Řekněme, že se musíte přestěhovat do nového bytu." S tímto výkonným Ferrari budete muset podniknout spoustu výletů, protože se do mnoha krabic nehodí. Ale pokud byste mohli dát jeden box na každého koně, můžete pohybovat vše najednou. To je GPU. Má mnoho prvků, z nichž každý je pomalejší než ty v CPU, ale je jich tolik. “
V neposlední řadě tým provedl simulaci pomocí superpočítačů Blue Waters v Národním centru pro superpočítačové aplikace (NCSA) na University of Illinois v Urbana-Champaign. Zjistili, že zatímco vnější oblast disku může být kachlová, vnitřní oblast bude zarovnána s rovníkem černé díry a spojí je hladká osnova.
Tato studie kromě toho, že uzavřela dlouhodobou debatu o černých dírách a jejich akrečních discích, ukazuje, že od dob Bardeena a Pettersona došlo k pokroku v astrofyzice. Jak Matthew Liska, výzkumník shrnul:
„Tyto simulace neřeší pouze čtyřicetiletý problém, ale prokázaly, že na rozdíl od typického myšlení je možné simulovat nejsvětlejší akreční disky v plné obecné relativitě. Tím se připravuje cesta pro další generaci simulací, které, jak doufám, vyřeší ještě důležitější problémy obklopující světelné akreční disky. “
Tým vyřešil dlouhotrvající tajemství Bardeen-Pettersonova efektu ztenčením akrečního disku na bezprecedentním stupni a faktorováním v magnetizované turbulenci, která způsobuje, že se disk akumuluje. Předchozí simulace provedly podstatné zjednodušení pouhým přiblížením účinků turbulence.
A co víc, předchozí simulace pracovaly s ztenčenými disky, které měly minimální poměr výšky k poloměru 0,05, zatímco k nejzajímavějším účinkům, které si Tchekhovskoy a jeho kolegové prohlíželi, došlo po ztenčení disku na 0,03. K jejich překvapení tým zjistil, že i při neuvěřitelně tenkých akrečních discích černá díra stále emitovala trysky částic a záření při části rychlosti světla (aka. Relativistické trysky).
Jak vysvětlil Tchekhovskoy, bylo to poněkud neočekávané zjištění:
"Nikdo neočekával, že tyto disky budou produkovat trysky v tak malé tloušťce." Lidé očekávali, že magnetická pole, která vytvářejí tyto trysky, by jen protrhla tyto opravdu tenké disky. Ale jsou tam. A to nám vlastně pomáhá vyřešit observační tajemství. “
Se všemi nedávnými nálezy, které astrofyzici učinili ohledně černých děr a jejich akrečních disků, můžete říci, že žijeme ve druhém „Zlatém věku relativity“. A nebylo by nadsázkou říci, že vědecké výhody celého tohoto výzkumu by mohly být obrovské. Pochopením toho, jak se hmota chová v nejextrémnějších podmínkách, se stále více přibližujeme tomu, jak se základní síly vesmíru spojují.
