Учёные обнаружили, что некоторые из самых ярких объектов во Вселенной — это чёрные дыры. Когда раскалённый газ и пыль движутся вокруг чёрной дыры или падают в неё, они излучают свет с огромной интенсивностью во всём спектре.
Группа учёных-вычислительных астрофизиков разработала наиболее полное моделирование того, как чёрные дыры создают эти впечатляющие световые шоу. Используя суперкомпьютеры, исследователи рассчитали поведение материи, движущейся вокруг чёрных дыр.
В отличие от всех предыдущих исследований, которые опирались на упрощающие приближения, учёные использовали полный расчёт того, как свет движется и взаимодействует с материей в рамках общей теории относительности Альберта Эйнштейна.
Их результаты могут помочь объяснить сотни странных, слабо светящихся объектов, известных как маленькие красные точки (LRDs), обнаруженных в ранней Вселенной космическим телескопом Джеймса Уэбба. Согласно ведущей теории, поддержанной новыми результатами, эти точки — чёрные дыры, поглощающие материю посредством процесса, называемого «сверхэддингтоновской аккрецией» в сердцах примитивных галактик.
Исследователи представляют свои симуляции в статье, опубликованной 3 декабря в The Astrophysical Journal.
«Впервые мы смогли увидеть, что происходит, когда наиболее важные физические процессы при аккреции чёрной дыры точно учтены», — говорит Лижон Чжан, ведущий автор исследования и научный сотрудник Института Флэтайрон Фонда Саймонса в Нью-Йорке.
«Любое упрощающее допущение может полностью изменить результат. Самое интересное, что наши симуляции теперь воспроизводят удивительно согласованное поведение в системах чёрных дыр, наблюдаемых на небе, от ультраярких источников рентгеновского излучения до рентгеновских двойных систем. В каком-то смысле нам удалось «наблюдать» эти системы не через телескоп, а через компьютер», — объясняет Чжан.
Особенности моделирования
Чжан является научным сотрудником Института перспективных исследований (IAS) в Принстоне, Нью-Джерси, и Центра вычислительной астрофизики Института Флэтайрон. Чжан является соавтором нового исследования, проведённого совместно с сотрудниками IAS, CCA, Лос-Аламосской национальной лаборатории и Университета Вирджинии.
Из-за их экстремальной гравитации ни одна модель чёрных дыр не будет считаться полной без учёта теории общей теории относительности Эйнштейна, которая описывает, как самые массивные тела искажают ткань пространства-времени. Это искажение пространства-времени определяет, как движется свет, созданный падающим веществом, и взаимодействует с окружающим веществом.
Эти полные уравнения общей теории относительности сложно решить даже для мощных компьютеров. Предыдущие симуляции использовали упрощённые расчёты радиации. «Предыдущие методы использовали приближения, которые рассматривают излучение как своего рода жидкость, что не отражает его реальное поведение», — объясняет Чжан.
Объединив идеи, полученные за десятилетия работы, команда разработала новые алгоритмы, которые могут напрямую решать уравнения без потери точности или требования необоснованных объёмов вычислительных мощностей. «Наш алгоритм — единственный, который существует на данный момент, который обеспечивает решение, рассматривая излучение так, как оно есть на самом деле в общей теории относительности», — говорит Чжан.
Их статья посвящена аккреции на чёрные дыры звёздной массы, масса которых примерно в 10 раз превышает массу Солнца, хотя по сравнению с Сагиттарием А*, сверхмассивной чёрной дырой в центре нашей галактики, имеющей массу более чем в 4 миллиона раз больше массы нашего Солнца, они относительно лёгкие.
Симуляции необходимы для понимания чёрных дыр звёздной массы. Хотя были получены изображения высокого разрешения сверхмассивных чёрных дыр, чёрные дыры звёздной массы не могут быть наблюдаемы таким же образом, они выглядят только как точки света.
Вместо этого исследователи должны преобразовать свет в спектр, который предоставляет данные для отображения распределения энергии вокруг чёрной дыры. По сравнению со сверхмассивными чёрными дырами, которые развиваются в течение многих лет или даже столетий, чёрные дыры звёздной массы изменяются в человеческих масштабах от минут до часов, что делает их идеальными для изучения эволюции этих систем в режиме реального времени.
Благодаря своим симуляциям учёные зафиксировали, как материя ведёт себя, когда она закручивается к чёрным дырам звёздной массы, образуя турбулентные диски, управляемые излучением, мощные ветры и иногда даже мощные струи. Команда обнаружила, что их модель удивительно хорошо соответствует спектру света, полученному из данных наблюдений.
Чжану и его исследовательской группе был предоставлен доступ к двум из самых мощных в мире суперкомпьютеров — Frontier и Aurora, размещённых в Национальной лаборатории Ок-Риджа и Аргоннской национальной лаборатории соответственно, для моделирования аккреции чёрной дыры. Эти «эксаскальные» компьютеры способны выполнять квинтиллион операций в секунду.
Даже при наличии всех этих вычислительных мощностей исследователям всё ещё требовался продуманный 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 внедрением алгоритма в код, оптимизированный для эксаскальных вычислений.
Симуляции были построены на основе алгоритма, разработанного Яном-Феем Цзяном из CCA, который сочетает в себе алгоритм, зависящий от угла, который отслеживает, как излучение взаимодействует и движется, с моделью того, как жидкость течёт вокруг вращающейся сферы в присутствии сильного магнитного поля. (Работа Цзяна в настоящее время широко используется в астрофизическом сообществе для таких объектов, как чёрные дыры и массивные звёзды.)
В будущем команда, стоящая за новыми симуляциями, будет работать над определением того, применима ли модель ко всем типам чёрных дыр. Помимо чёрных дыр звёздной массы, их симуляции могут улучшить понимание сверхмассивных чёрных дыр, которые определяют эволюцию галактик, а также способствовать дальнейшему изучению природы маленьких красных точек космического телескопа Джеймса Уэбба.
Моделирование показывает, что эти объекты могут производить больше света, чем предел Эддингтона — баланс между гравитационной силой, притягивающей материю внутрь, и давлением излучения, направленным наружу, которое высвобождается падающим веществом, при условии идеального сферического потока. В этом случае чёрные дыры излучают больше энергии, чем может быть уравновешено гравитационным притяжением внутрь.
Команда продолжит совершенствовать свой подход, чтобы учесть различные способы взаимодействия излучения с материей в широком диапазоне температур и плотностей.
«Теперь задача состоит в том, чтобы понять всю науку, которая из этого вытекает», — говорит Джеймс Стоун, профессор IAS и соавтор новой статьи.