Fraktaliniai turbulentiškų juodųjų bedugnių horizontai

„Parodėme, kad medžiagai krentant į juodąją bedugnę, šios paviršius reaguoja kaip skystis, o konkrečiai – jis tampa turbulentišku,“ sako Allanas Adamsas iš MIT. „Tiksliau, pats horizontas tampa fraktalu.“

Fraktalai yra matematinės, atkartojančios pačios save aibės: padidinus vieną fraktalo piešinio fragmentą, pavyzdžiui, žymiąją Mandelbroto aibę, mažiausia jos dalis atrodys beveik taip pat, kaip pradinis vaizdas. Fraktalinės geometrijos objektai daug kur yra gamtoje, nuo debesų iki Anglijos pakrančių.

Adamsas su kolegomis dabar rado įrodymų, kad fraktalinis elgesys pasireiškia netikėčiausioje vietoje: besimatinančios juodosios bedugnės paviršiuje. Juodosios bedugnės auga, prarydamos į ją krentančią medžiagą; vėliau šiais metais mūsų galaktikos centre esanti juodoji bedugnė rengiasi pasistiprinti dujų debesiu. Tačiau detalės, kaip besimatinančios juodosios bedugnės auga ir kaip tai gali paveikti galaktiką, tebėra nežinomos.

Paukščių Tako juodoji bedugnė

Norėdamas ištirti, kaip atrodo pietaujančios juodosios bedugnės horizontas, Adamsas pasinaudojo Einšteino bendrosios reliatyvumo teorijos – aprašančios gravitaciją šalia juodosios bedugnės – ir skysčių dinamikos matematiniu dualumu. Fizikai 2007 m. parodė, kad skysčių dinamiką ir juodąsias bedugnes aprašančios lygtys gali būti sukeičiamos. Tokie matematiniai žaidimai gali suteikti įžvalgų apie abi sistemas – jei tam tikras elgesys paprastesnis vienu režimu, tai fizikams gali duoti užuominų, kaip veikia kitas.

Adamsas su kolegomis domėjosi turbulencija, skysčio tekėjimo būdu, stebimu visur, nuo pieno elgesio lavoje iki oro judėjimo po lėktuvo sparnais.

„Žinoma apie dualumą tarp skysčių ir juodųjų bedugnių ir žinome, kad skysčiai daro kai ką nuostabaus, jie darosi turbulentiški,“ sako Adamsas. „Bet neturime supratimo, į ką tai virsta ant juodosios bedugnės.“

Komanda, vadovaujama Paulo Cheslerio, Harvardo postdoktoranto, pirmiausia sumodeliavo turbulentišką skysčio sistemą. Tada pervedė į į juodosios bedugnės režimą ir leido vystytis. Pažvelgus vėl, atrodė, kad juodosios bedugnės horizonto plotas tapo begalinis.

Begalinis kaip Anglija

„Tai fraktalo signalas,“ sako Adamsas. Plotas yra begalinis taip pat, kaip begalinis atrodo Anglijos pajūrio linijos ilgis – iš kuo arčiau žiūrime, tuo detalesnė tampa forma, tad atrodo užimanti daugiau ploto.

„Stebina faktas, kad, pasirodo, gali pažvelgti į horizontą ir jis bus fraktalinis, jei skystis turbulentiškas,“ sako Adamsas.

Kadangi komanda supaprastino kai kuriuos modelio aspektus, kad simuliacija būtų lengvesnė, neaišku, kaip tai veiktų su tikromis juodosiomis bedugnėmis. Bet jeigu jos paviršiaus struktūra maitinantis išties pasidaro fraktalinė, to signalai gali išryškėti jų skleidžiamose gravitacinėse bangose.

„Daugeliu atžvilgių šis darbas yra tour de force,“ sako Luisas Lehneris iš Perimeter instituto Waterloo, Ontarijuje, Kanadoje. „Tai pirmasis kartas, kai kas nors parodė gravitacinio lauko turbulenciją sutrikdytame juodosios bedugnės erdvėlaikyje. Tai atveria keletą įdomių durų. Pamatysime, kaip vystysis reikalai.“

Žurnalo nuoroda: Physical Review Letters, DOI: 10.1103/PhysRevLett.112.151602

Lisa Grossman
New Scientist