Găurile negre sunt una dintre cele mai nemaipomenite și misterioase forțe din Univers. Prevazute inițial de Teoria relativității generale a lui Einstein, aceste puncte din spațiu sunt formate atunci când stelele masive suferă colaps gravitațional la sfârșitul vieții. În ciuda a zeci de ani de studiu și observație, încă nu știm multe despre acest fenomen.
De exemplu, oamenii de știință sunt încă în mare parte în întuneric despre modul în care se comportă materia care intră pe orbita în jurul unei găuri negre și este alimentată treptat cu ea (discuri de acreție). Datorită unui studiu recent, în care o echipă internațională de cercetători a realizat cele mai detaliate simulări ale unei găuri negre până în prezent, au fost validate în cele din urmă o serie de predicții teoretice cu privire la discurile de acumulare.
Echipa a fost formată din astrofizicieni de calcul de la Institutul Anton Pannekoek de la Universitatea din Amsterdam, Institutul de Astronomie din cadrul Universității de Nord-Vest, Centrul pentru Cercetări Interdisciplinare și Cercetare în Astrofizică (CIERA) și Universitatea din Oxford. Rezultatele cercetărilor lor au apărut în numărul din 5 iunie Avize lunare ale Royal Astronomical Society.
Printre descoperirile lor, echipa a confirmat o teorie inițiată inițial în 1975 de James Bardeen și Jacobus Petterson, care a devenit cunoscută sub numele de Efectul Bardeen-Petterson. În conformitate cu această teorie, echipa a descoperit că, în timp ce regiunea exterioară a unui disc de acumulare va rămâne înclinat, regiunea interioară a discului se va alinia cu ecuatorul găurii sale negre.
Mai bine spus, aproape tot ce știu cercetătorii despre găurile negre a fost învățat prin studierea discurilor cu acreție. Fără aceste inele luminoase de gaz și praf, este puțin probabil ca oamenii de știință să poată localiza găuri negre. Mai mult, creșterea și viteza de rotație a unei găuri negre depind, de asemenea, de discul său de acumulare, ceea ce face ca studierea acestora să fie esențială pentru înțelegerea evoluției și comportamentului găurilor negre.
În calitate de Alexander Tchekhovskoy, an
Încă de când Bardeen și Petterson au propus teoria lor, simulările găurilor negre au suferit de o serie de probleme care i-au împiedicat să stabilească dacă această aliniere are loc. În primul rând, atunci când discurile cu acreție se apropie de Orizontul evenimentului, acestea accelerează la viteze extraordinare și se deplasează prin regiuni deformate de spațiu.
O a doua problemă care complică problemele în continuare este faptul că rotația unei găuri negre obligă spațiul în timp să se rotească în jurul acesteia. Ambele probleme necesită ca astrofizicienii să țină cont de efectele relativității generale, dar rămâne problema turbulenței magnetice. Această turbulență face ca particulele discului să se mențină într-o formă circulară și
Până acum, astrofizicienii nu au avut puterea de calcul pentru a ține cont de toate acestea. Pentru a dezvolta un cod robust capabil să efectueze simulări care să reprezinte GR și turbulența magnetică, echipa a dezvoltat un cod bazat pe unități de procesare grafică (GPU). În comparație cu unitățile convenționale de procesare centrală (CPU), GPU-urile sunt mult mai eficiente la algoritmii de procesare a imaginii și de calcul care procesează schimbări mari de date.
De asemenea, echipa a încorporat o metodă numită rafinare de plasă adaptativă, care economisește energie concentrându-se doar pe blocuri specifice unde se produce mișcare și se adaptează în consecință. Pentru a ilustra diferența, Tchekhovskoy a comparat GPU-urile și
„Să zicem că trebuie să vă mutați într-un apartament nou. Va trebui să faceți o mulțime de călătorii cu acest Ferrari puternic, deoarece nu se potrivesc cu multe cutii. Dar dacă ai putea pune câte o cutie pe fiecare cal, ai putea muta totul dintr-o singură dată. Acesta este GPU. Are o mulțime de elemente, fiecare dintre acestea fiind mai lent decât cele din procesor, dar sunt atât de multe dintre ele. "
Ultimul, dar nu în ultimul rând, echipa și-a desfășurat simularea folosind supercomputerele Blue Waters la Centrul Național pentru Aplicații de Supercomputare (NCSA) de la Universitatea Illinois din Urbana-Champaign. Ceea ce au descoperit a fost că, în timp ce regiunea exterioară a unui disc poate fi gresit, regiunea interioară va fi aliniată la ecuatorul găurii negre și o urzeală lină le va conecta.
Pe lângă faptul că asigură închiderea unei dezbateri de lungă durată despre găurile negre și discurile lor de acumulare, acest studiu arată, de asemenea, că au progresat cu mult astrofizica încă din zilele lui Bardeen și Petterson. După cum a rezumat Matthew Liska, un cercetător:
„Aceste simulări nu rezolvă doar o problemă veche de 40 de ani, dar au demonstrat că, contrar gândirii tipice, este posibil să simuleze cele mai luminoase discuri de acumulare din relativitatea generală. Acest lucru deschide calea pentru o nouă generație de simulări, care sper să rezolve probleme și mai importante în jurul discurilor de acumulare luminoase. "
Echipa a rezolvat misterul de lungă durată al efectului Bardeen-Petterson prin subțiarea discului de acreție într-un grad fără precedent și factorizarea turbulenței magnetizate care determină discul să se accreteze. Simulările anterioare au făcut o simplificare substanțială doar prin aproximarea efectelor turbulenței.
Mai mult, simulările anterioare au funcționat cu discuri subțiri care au un raport minim înălțime-rază de 0,05, în timp ce efectele cele mai interesante văzute de Tchekhovskoy și colegii săi au avut loc odată ce discul a fost subțiat la 0,03. Spre surprinderea lor, echipa a descoperit că, chiar și cu discuri de acreție incredibil de subțiri, gaura neagră încă emitea jeturi de particule și radiații la o porțiune a vitezei luminii (de asemenea, jeturi relativiste).
După cum a explicat Tchekhovskoy, aceasta a fost o descoperire destul de neașteptată:
„Nimeni nu se aștepta să fie produse de aceste discuri cu jeturi atât de mici. Oamenii se așteptau ca câmpurile magnetice care produc aceste jeturi să curgă doar prin aceste discuri foarte subțiri. Dar acolo sunt. Și asta ne ajută de fapt să rezolvăm misterele observaționale. ”
Cu toate descoperirile recente pe care astrofizicienii le-au făcut în ceea ce privește găurile negre și discurile lor de acreție, s-ar putea spune că trăim în a doua „Epoca de Aur a Relativității”. Și nu ar fi exagerat să spunem că beneficiile științifice ale tuturor acestor cercetări ar putea fi imense. Înțelegând cum se comportă materia în cele mai extreme condiții, ne apropiem tot mai mult de învățarea modului în care forțele fundamentale ale Universului se potrivesc.
