Суперкомпьютеры раскрыли, что на самом деле происходит вблизи чёрной дыры
Международная группа исследователей из американского Института Флэтирон представила наиболее детальное на сегодняшний день моделирование процессов, происходящих на границе чёрной дыры звёздной массы. Впервые расчёты были проведены без упрощений, которые ранее требовались для возможности математического описания экстремальной физики этих объектов.
Окрестности чёрной дыры являются зоной хаотической и нестабильной активности, где вещество, падающее на космический объект, сталкивается с мощнейшим излучением, порождающим вспышки и выбросы плазмы. Точное предсказание этих динамических событий долгое время оставалось сложнейшей задачей из-за искривления пространства-времени.
Новое исследование стало возможным благодаря использованию двух мощных суперкомпьютеров, которые позволили объединить данные наблюдений за аккрецией — процессом падения вещества на чёрную дыру — с параметрами её вращения и магнитного поля. Это дало учёным возможность создать модель, описывающую движение газа, света и поведение магнитных полей вокруг чёрных дыр, сопоставимых по массе с Солнцем.
«Это первый раз, когда нам удалось увидеть, что происходит, когда все наиболее важные физические процессы в аккреции чёрной дыры точно учтены, — заявил астрофизик Личжун Чжан из Института Флэтирон. — Эти системы чрезвычайно нелинейны: любое излишнее упрощающее предположение может полностью изменить результат».
Моделирование показало, что вокруг быстро вращающейся и активно поглощающей материю чёрной дыры формируется плотный аккреционный диск. Часть вещества при этом не поглощается, а выбрасывается наружу в виде узконаправленных струй (джетов), ускоряемых и направляемых магнитными полями. При накоплении достаточного количества материала чёрная дыра создаёт своеобразную «воронку», которая затягивает материю с огромной скоростью и порождает пучок излучения, видимый только под определённым углом.
Особое значение в модели играет конфигурация магнитного поля, которое направляет поток газа как к горизонту событий, так и обратно в космос в виде звёздных ветров и джетов. Алгоритм учёных является на данный момент единственным, который последовательно описывает распространение излучения (фотонов) в искривлённом пространстве-времени в соответствии с общей теорией относительности Эйнштейна, а также учитывает законы физики плазмы и взаимодействие света с веществом.
В дальнейшем исследователи планируют проверить, применимы ли их симуляции к другим типам чёрных дыр, в частности, к сверхмассивной чёрной дыре Стрелец А* в центре Млечного Пути. Также учёные полагают, что их работа может помочь разгадать природу загадочных «маленьких красных точек» — объектов, испускающих неожиданно малое количество рентгеновского излучения.
Результаты работы в журнале The Astrophysical Journal.