Černé díry byly nekonečným zdrojem fascinace od té doby, co Einsteinova teorie obecné relativity předpověděla jejich existenci. V posledních 100 letech studium černých děr značně pokročilo, ale úcta a tajemství těchto objektů zůstává. Vědci například poznamenali, že v některých případech mají černé díry obrovské trysky nabitých částic, které vyčnívají po miliony světelných let.
Tyto „relativistické trysky“ - takzvané, protože pohánějí nabité částice zlomkem rychlosti světla - zmást astronomy po celá léta. Ale díky nedávné studii provedené mezinárodním týmem vědců se do těchto proudů získal nový vhled. V souladu s obecnou relativitou vědci ukázali, že tyto trysky postupně precesují (tj. Mění směr) v důsledku toho, že je časoprostor tažen do rotace černé díry.
Jejich studie s názvem „Tvorba předběžných trysek nakloněnými disky s černými dírami ve 3D obecných relativních MHD simulacích“ se nedávno objevila v Měsíční oznámení Královské astronomické společnosti. Tým se skládal z členů Centra pro interdisciplinární výzkum a výzkum v astrofyzice (CIERA) na Northwestern University.
Pro účely studia provedl tým simulace pomocí superpočítače Blue Waters na University of Illinois. Simulace, které provedli, byly vůbec první, kdo modeloval chování relativistických proudů pocházejících z Supermassive Black Holes (SMBHs). S téměř miliardou výpočetních buněk se jednalo také o simulaci s největší černou dírou, jakou kdy bylo dosaženo.
Jak vysvětlil Alexander Tchekhovskoy, docent fyziky a astronomie na Northwestern's Weinberg College of Arts and Sciences, v nedávné tiskové zprávě Northwestern Now:
„Pochopení toho, jak rotující černé díry přetahují časoprostor kolem nich a jak tento proces ovlivňuje to, co vidíme dalekohledy, zůstává klíčovou, obtížně prolomitelnou skládačkou. Naštěstí průlom ve vývoji kódu a skoky v superpočítačové architektuře nás stále přibližují k nalezení odpovědí. “
Podobně jako všechny Supermasivní černé díry, i rychle se točící SMBH pravidelně pohlcují (aka. Konkrétní) hmotu. Nicméně, rychle se točící černé díry jsou také známé pro způsob, jakým vydávají energii ve formě relativistických proudů. Věc, která napájí tyto černé díry, tvoří kolem nich rotující disk - aka. akreční disk - který se vyznačuje horkými, energizovanými plynovými a magnetickými siločarami.
Právě přítomnost těchto linií pole umožňuje černým otvorům pohánět energii ve formě těchto proudů. Protože tyto trysky jsou tak velké, je snazší je studovat než samotné černé díry. Astronomové tak dokážou pochopit, jak rychle se mění směr těchto trysek, což odhaluje věci o rotaci samotných černých děr - jako je orientace a velikost jejich rotujících disků.
Pokud jde o studium černých děr, jsou nezbytné pokročilé počítačové simulace, zejména proto, že nejsou viditelné ve viditelném světle a jsou obvykle velmi daleko. Například nejbližší SMBH k Zemi je Střelec A *, který je ve středu naší galaxie vzdálený asi 26 000 světelných let. Simulace jsou tedy jediným způsobem, jak zjistit, jak funguje vysoce složitý systém, jako je černá díra.
V předchozích simulacích vědci pracovali za předpokladu, že disky černé díry byly zarovnány. Bylo však zjištěno, že většina SMBH má nakloněné disky - tj. Disky se točí kolem samostatné osy než černá díra samotná. Tato studie byla proto klíčová v tom, že ukázala, jak mohou disky měnit směr vzhledem k jejich černé díře, což vede k precesním proudům, které pravidelně mění jejich směr.
Dříve to nebylo známo z důvodu neuvěřitelně velkého množství výpočetního výkonu, který je zapotřebí ke konstrukci trojrozměrných simulací oblasti obklopující rychle se otáčející černou díru. S podporou grantu National Science Foundation (NSF) byl tým schopen dosáhnout pomocí Blue Waters, jednoho z největších superpočítačů na světě.
S tímto superpočítačem, který měl k dispozici, byl tým schopen sestavit první simulační kód černé díry, který zrychlil pomocí grafických procesorových jednotek (GPU). Díky této kombinaci byl tým schopen provádět simulace, které měly nejvyšší úroveň rozlišení, jaké kdy bylo dosaženo - tj. Téměř miliardu výpočetních buněk. Jak vysvětlil Tchekhovskoy:
„Vysoké rozlišení nám poprvé umožnilo zajistit, aby v našich modelech byly přesně zachyceny malé turbulentní pohyby disku. K našemu překvapení se ukázalo, že tyto pohyby byly tak silné, že způsobily, že se disk rozpadl a zastavila se jeho precese. To naznačuje, že k precesi může dojít při výbuchu. “
Precese relativistických proudů by mohla vysvětlit, proč byly pozorovány kolísání světla přicházející z minulosti kolem černých děr - které jsou známé jako kvazi-periodické oscilace (QPO). Tyto paprsky, které byly poprvé objeveny Michielem van der Klisem (jedním ze spoluautorů studie), fungují podobně jako paprsky kvazaru, které, jak se zdá, mají stroboskopický účinek.
Tato studie je jednou z mnoha, která se provádí na rotujících černých dírách po celém světě, jejichž účelem je lépe porozumět nedávným objevům, jako jsou gravitační vlny, které jsou způsobeny sloučením černých děr. Tyto studie jsou také aplikovány na pozorování z dalekohledu Event Horizon, který zachytil první obrázky stínu Sagittarius A *. To, co odhalí, určitě vzruší a ohromí a potenciálně prohloubí tajemství černých děr.
V minulém století značně pokročilo studium černých děr - od ryze teoretických k nepřímým studiím účinků, které mají na okolní hmotu, až po samotné studium gravitačních vln. Možná jednoho dne bychom je mohli ve skutečnosti studovat přímo, nebo (pokud to není příliš naděje na) přímo v nich!
