Crne rupe jedna su od najnevjerovatnijih i najtajanstvenijih sila u Svemiru. Izvorno predviđena Einsteinovom teorijom opće relativnosti, ove točke u prostornom vremenu nastaju kada se masivne zvijezde podvrgnu gravitacijskom kolapsu na kraju svog života. Unatoč desetljećima proučavanja i promatranja, još uvijek ne znamo mnogo o ovom fenomenu.
Na primjer, znanstvenici su još uvijek u velikoj mraku o tome kako se ponaša tvar koja padne u orbitu oko crne rupe i postepeno se hrani na nju (akrecijski diskovi). Zahvaljujući nedavnoj studiji, u kojoj je međunarodni tim istraživača izveo do sada detaljnije simulacije crne rupe, brojna teorijska predviđanja u vezi s akrecijskim diskovima konačno su potvrđena.
Tim su činili računski astrofizičari s amsterdamskog Instituta za astronomiju Sveučilišta Anton Pannekoek, Centra za interdisciplinarna istraživanja i astrofiziku Sveučilišta Northwestern i CIERA i Sveučilišta u Oxfordu. Njihova se otkrića pojavila u 5. lipnju broja časopisa Mjesečne obavijesti Kraljevskog astronomskog društva.
Među svojim nalazima, tim je potvrdio teoriju koju su 1975. godine James Bardeen i Jacobus Petterson izneli, a koja je postala poznata kao efekt Bardeen-Petterson. U skladu s ovom teorijom, tim je otkrio da će, iako će vanjska regija diska za akreditaciju ostati nagnuta, unutrašnja regija diska poravnati se s ekvatorom njegove crne rupe.
Jednostavno rečeno, gotovo sve što istraživači znaju o crnim rupama naučili smo proučavanjem akrektskih diskova. Bez ovih svijetlih prstenova plina i prašine, malo je vjerojatno da bi znanstvenici uspjeli pronaći crne rupe. Nadalje, rast i brzina rotacije crne rupe također ovise o njenom akrecijskom disku, što ih čini ključnim za razumijevanje evolucije i ponašanja crnih rupa.
Kao Aleksandar Tchekhovskoy, an
Otkako su Bardeen i Petterson predložili svoju teoriju, simulacije crnih rupa pretrpjele su niz problema koji su im onemogućili u odlučivanju da li se ovo usklađivanje odvija. Prije svega, kada se akrecijski diskovi približavaju događaju Horizon, oni ubrzavaju do ogromne brzine i kreću se kroz iskrivljena područja prostornog vremena.
Drugo pitanje koje dodatno komplicira je činjenica da rotacija crne rupe prisiljava prostor i vrijeme da se vrti oko nje. Oba ova problema zahtijevaju da astrofizičari obračunavaju učinke opće relativnosti, ali ostaje pitanje magnetske turbulencije. Ova turbulencija uzrokuje da se čestice diska drže zajedno u kružnom obliku i
Do sada astrofizičari nisu imali računarsku snagu da objasne sve to. Da bi razvili robustan kod koji bi mogao izvesti simulacije koje su računale na GR i magnetske turbulencije, tim je razvio kod baziran na grafičkim procesorskim jedinicama (GPU). U usporedbi s konvencionalnim središnjim procesnim jedinicama (CPU-i), GPU-i su mnogo učinkovitiji u obradi slike i računalnim algoritmima koji obrađuju velike količine podataka.
Tim je također ugradio metodu koja se naziva prilagodljivo očvršćivanje mrežice, koja štedi energiju usredotočivši se samo na određene blokove u kojima se kretanje događa i prilagođava se u skladu s tim. Da bi ilustrirao razliku, Tchekhovskoy je usporedio GPU-ove i
"Recimo da se morate useliti u novi stan. Morat ćete napraviti puno putovanja s ovim moćnim Ferrarijem jer neće odgovarati mnogim kutijama. Ali ako biste mogli staviti jednu kutiju na svakog konja, mogli biste sve premjestiti u jednom potezu. To je GPU. Ima puno elemenata, od kojih je svaki sporiji od onih u CPU-u, ali takvih je mnogo. "
Posljednje, ali ne najmanje bitno, tim je izveo svoju simulaciju pomoću superračunala Blue Waters u Nacionalnom centru za superkompjuterske aplikacije (NCSA) na Sveučilištu Illinois u Urbani-Champaign. Ono što su otkrili je da će se, iako se vanjska regija diska može popločati, unutarnja regija poravnati s ekvatorom crne rupe i glatki temelj će ih povezati.
Osim što je omogućilo zatvaranje dugogodišnje rasprave o crnim rupama i njihovim akumulacijskim diskovima, ovo istraživanje pokazuje i da je astrofizika daleko napredovala još od dana Bardeena i Pettersona. Kao što je rekao Matthew Liska, istraživač je
"Ove simulacije ne samo da rješavaju problem star 40 godina, već su pokazale da je, suprotno tipičnom razmišljanju, moguće simulirati najsvjetlije diskove za akumulaciju u punoj općoj relativnosti. To će otvoriti put za sljedeću generaciju simulacija, za koje se nadam da će riješiti još važnije probleme oko diskova sa svjetlosnim akumulacijama. "
Tim je riješio dugogodišnju misteriju Bardeen-Petterson efekta prorjeđivanjem akrektorskog diska do neviđenog stupnja i faktorom magnetizirane turbulencije zbog koje se disk nakuplja. Prethodne simulacije znatno su pojednostavile samo približavanjem učinaka turbulencije.
Štoviše, prethodne simulacije radile su s prorijeđenim diskovima koji su imali omjer minimalne visine i polumjera od 0,05, dok su se najzanimljiviji efekti koje su vidjeli Čehovski i njegovi kolege dogodili nakon što je disk stavljen na 0,03. Na svoje iznenađenje, tim je otkrio da čak i uz nevjerojatno tanke nakupine, crna rupa i dalje emitira mlazove čestice i zračenja brzinom svjetlosti (aka. Relativistički mlazovi).
Kao što je objasnio Čehovski, ovo je bio prilično neočekivan nalaz:
"Nitko nije očekivao da će ovi diskovi biti proizvedeni na tako malim debljinama. Ljudi su očekivali da će magnetska polja koja proizvode ove mlazove samo probiti kroz ove zaista tanke diskove. Ali tu su. A to nam zapravo pomaže u rješavanju promatračkih misterija. "
Uz sve nedavne nalaze astrofizičara koji se tiču crnih rupa i njihovih akumulacijskih diskova, mogli biste reći da živimo u drugom „zlatnom dobu relativnosti“. I ne bi bilo pretjerano reći da bi znanstvena isplata svih ovih istraživanja mogla biti neizmjerna. Razumijevajući kako se materija ponaša u najekstremnijim uvjetima, sve smo bliže učenju kako se temeljne sile Univerzuma međusobno uklapaju.
