Наиболее точные модели черных дыр позволило решить почти полвека тайна их природы

Наиболее точные модели черных дыр позволило решить почти полвека тайна их природы

Прошло около двух месяцев с момента, когда ученые показали миру первые реальные фото черной дыры, но в изучении этих загадочных объектов астрономы занимались в течение более чем столетия. Современный метод исследования: комплексное компьютерное моделирование, которое позволяет визуализировать черные дыры с беспрецедентным уровнем детализации, отметить, что пока ни один из человечества телескопы. Недавно международная группа ученых создала самую детальную компьютерную модель черной дыры и через них оказалось почти полвека загадка, связанная с природой аккреционных дисков вещества, падающего в черную дыру.

Результаты моделирования, проведенных астрофизики из университетов Амстердама, Оксфорда и Северо-Западном университете, показывают, что внутренние области аккреционного диска, расположенных в экваториальной плоскости черной дыры, сообщается в пресс-релизе, опубликованном на сайте Северо-Западного университета (США).

Полвека загадка черных дыр

Их открытие разгадывает загадку, изначально описал физик и нобелевский лауреат Джон Бардин и астрофизик Якобусом Питершам в 1975 году. В то время ученые заявили, что воронку черной дыры должна заставить внутренней области аккреционного диска склонен позиционировать себя в экваториальной плоскости черной дыры.

Это открытие раскрывает тайну, изначально описал физик и нобелевский лауреат Джон Бардин и астрофизик Якобусом Питершам в 1975 году. Вот когда Бардин и Петтерсон сказал, что воронка черной дыры должна заставить внутренней области аккреционного диска склонен позиционировать себя в экваториальной плоскости черной дыры.

После десятилетий поисков доказательств влияния Бардина-Петерсон новый моделирование международная группа исследователей позволил определить, что, хотя внешние края аккреционного диска, остается наклонена, его внутренней области адаптирована к экваториальной плоскости черной дыры. Команда ученых пришла к этому, уменьшение толщины аккреционного диска до небывалой степени, и с учетом магнитной турбулентности, ответственных за аккреционного диска. Предыдущие модели дело с этим вопросом было гораздо проще и просто учитывал предполагаемые эффекты турбулентности.

«Это прорывной эффект открытие Бардина-Петерсон решает вопрос, который мучает астрофизиков на протяжении более четырех десятилетий», — говорит Александр Чаковский из Северо-Западного университета, один из авторов исследования.

«Эти детали находятся в непосредственной близости от черной дыры могут показаться незначительными, но они имеют огромное влияние на то, что происходит внутри галактики. Эти эффекты контролировать, как быстро раскрутить черную дыру и, следовательно, какое влияние это окажет на всю галактику».

«Эти модели не только решить 40-летнюю загадку, но, вопреки общему мнению, доказать, что это можно смоделировать яркие аккреционных дисков с учетом общей теории относительности. Таким образом, мы проложили путь для следующего поколения моделей, которые позволят решить более важные проблемы с яркими аккреционных дисков», — добавляет ведущий автор исследования Мэтью Лиска из Университета Амстердама.

Зачем нам нужны модели черных дыр?

Почти все наши знания о черных дырах на основе изучения их аккреционных дисков. Без этих светлых колец из газа, пыли и других остатков мертвых звезд, вращающихся вокруг черных дыр, астрономы не видят черные дыры для их изучения. Кроме того, аккреционных дисков контролирует рост и скорость вращения черной дыры, поэтому понимание их характера имеет важнейшее значение для понимания того, как черные дыры evolyutsioniruet и функции.

Поскольку Бардин и Петерсон на сегодняшний день симуляторов был слишком простой, чтобы подтвердить выравнивание внутренней части диска. В расчетах, астрономы столкнулись с двумя трудностями. Во-первых, оказалось, что аккреционные диски приближаются так близко к отверстию, что мы движемся в искривленном пространстве-времени, который с огромной скоростью падал в черную дыру. Кроме того, вращая сила черной дыры заставляет пространство-время, чтобы повернуть за ней. Правильного рассмотрения обоих этих ключевых эффектов требует общая теория относительности Эйнштейна, которая предсказывает, как объекты влияют на геометрию пространства-времени вокруг них.

Во-вторых, в распоряжении ученых не было достаточно вычислительной мощности, чтобы учитывать магнитные бури или возмущения внутри аккреционного диска. Эти возмущения дайте диску частицы держаться вместе и держать круглую форму, в конечном итоге позволяя газовый диск погружаться в черную дыру.

«Представьте, что у вас есть этот тонкий диск. Перед вами стоит задача разделить турбулентного потока внутри диска. Это очень сложная задача», — говорит Checkowski.

Без возможности разделения этих частей астрофизики не реалистично имитировать реалистичные черные дыры.

Моделирование черных дыр

Разработать компьютерный код, способный моделировании наклонной аккреционных дисков вокруг черных дыр, Лиска и Cekovski использовать вместо центральных процессоров (ЦП) графики (GPU). Чрезвычайно эффективными в создании компьютерной графики и обработки изображений, графических процессоров ускорить процесс создания изображения на экране. По сравнению с ЦП, они являются гораздо более эффективными в вычислительных алгоритмов, которые обрабатывают огромные объемы данных.

Chekovski сравнивает графического процессора с 1000 лошадей, и процессор с Ferrari с двигателем мощностью 1000 лошадиных сил.

«Представьте, что вы переезжаете в новую квартиру. Много раз приходилось выезжать из вашей квартиры на Феррари, потому что он помещается не очень много багажа. Но если вы могли бы поставить один ящик на каждом из тысячи лошадей, которые могли бы перевезти все вещи за один раз. Это власть ГПУ. Он имеет много компонентов, каждый из которых по отдельности медленнее, чем ЦП, но их много», — объясняет Chekovski.

Кроме того, добавляет Лиска, для их измерения они использовали метод адаптивного измельчения расчетной сетки, что используется динамическая сетка, меняются и приспосабливаются к потоку движения во время симуляции. Этот метод позволяет экономить энергию и вычислительные ресурсы, ориентируясь только на определенные блоки, где, собственно, и происходит течь.

Исследователи отмечают, что использование GPU позволило ускорить моделирование и использование адаптивной сетки для увеличения разрешения этого моделирования. В конце концов, ученым удалось создать модель очень тонких аккреционных дисков с отношением высоты к радиусу 0.03. Моделирование такой тонкий диск, исследователям удалось увидеть уравнение плоскости аккреционного диска вблизи черной дыры.

«Самые тонкие условного диски имели высоту до радиуса около 0,05, и обнаружили, что интересные вещи происходят только тогда, когда индекс 0.03», — говорит Checkowski.

Астрономы говорят, что даже с такими тонкими дисками, черные дыры все-таки излучают сильную струю частиц и излучения.

«Никто не ожидал увидеть такие тонкие диски способны выбрасывать струи. Все ожидали, что магнитные поля, которые создают эти струи, рвать эти тонкие диски, но они по-прежнему там, и из-за этого, мы можем решать такие наблюдательного головоломки», — говорит Checkowski.