Paslaptingosios juodųjų bedugnių sraujymės: superkompiuteris pateikė dar neregėtos raiškos vaizdus - paaiškėjo įdomių dalykų apie erdvėlaikį (Video)

Vienu iš galingiausių pasaulyje superkompiuterių sukurtos pažangios simuliacijos rodo, kad dėl JB sukimosi kylančio erdvėlaikio vilkimo, sraujymių kryptis dangaus atžvilgiu palengva kinta, t.y. vyksta precesija. Tai atitinka A. Einšteino prognozes apie ekstremalią gravitaciją šalia besisukančių JB, paskelbtas jo garsiojoje Bendrojoje reliatyvumo teorijoje.

„Kaip besisukančios juodosios bedugnės velka erdvėlaikį ir kaip šis procesas veikia per teleskopus matomą vaizdą, vis dar lieka esmine, sunkiai išsprendžiama mįsle,“ sakė Alexander Tchekhovskoy, fizikos ir astronomijos profesorius asistentas Šiaurės Vakarų Weinbergo meno ir mokslo koledže. „Laimei, programavimo ir superkompiuterių architektūros pasiekimai artina mus prie atsakymų.“

Monthly Notices of the Royal Astronomical Society publikuotas tyrimas yra bendradarbiavimo tarp Tchekhovskoy, Matthew Liska ir Casper Hesp rezultatas. Liska ir Hesp yra pagrindiniai tyrimo autoriai ir Amsterdamo universiteto Nyderlanduose magistrantūros studentai.

Greitai besisukančios JB ne tik ryja materiją, bet ir spinduliuoja energiją reliatyvistinėmis sraujymėmis (RS). Panašiai, kaip iš vonios išleidžiamas vanduo suformuoja verpetą, supermasyvią JB maitinančios dujos ir magnetiniai laukai suformuoja besisukantį diską – magnetinio lauko linijų spagečius karštų dujų sultinyje. Mėgaudamasi šia astrofizikine sriuba, JB susiurbia sultinį, tačiau magnetiniai spagečiai lieka stirksoti. Taip JB tampa savotiška paleidimo platforma, iš kurios susisukusių magnetinių spagečių tinklo energija svaidoma RS forma.

Ši Blue Waters superkompiuteriu sukurta simuliacija yra pirmoji, kurioje parodoma, kad RS juda kartu su JB akrecijos disko precesija. Beveik milijardo skaičiavimo vienetų (computational cells) simuliacija yra iki šiol didžiausios raiškos JB akrecinio disko simuliacija.
©Northwestern University

RS tyrinėti paprasčiau, nes jos daug didesnės už pačias juodąsias bedugnes. Šis tyrimas padės astronomams suprasti, kaip sparčiai kinta greitai sraujymės kryptis, o iš šios informacijos galima sužinoti JB sukimosi greitį, bei akrecinio disko orientaciją, dydį ir kitas sunkiai išmatuojamas juodosios bedugnės akrecijos savybes.

Nors kone visose ankstesnėse simuliacijose daryta prielaida, kad akrecinio disko ir pačios juodosios bedugnės sukimosi ašys sutampa, iš tiesų, daugumos galaktikų centrų supermasyvių JB diskai yra pasvirę. Šis tyrimas patvirtino, kad jeigu diskas pasviręs, jis keičia savo padėtį JB atžvilgiu, panašiai, kaip besisukantis vilkelis. Simuliacija pirmą kartą parodė, kad dėl tokių pakrypusių diskų periodiškai kinta ir sraujymių ašies kryptis.

Anksčiau tokia sraujymių precesija sparčiai besisukančių JB apylinkių atliktose 3D simuliacijose nebuvo aptikta, nes tam reikia itin didelių skaičiavimo pajėgumų. Šią problemą tyrėjai sprendė, sukurdami pirmąją juodosios bedugnės simuliaciją, kur kodą apdoroja grafikos procesoriai (GPU). Nacionalinio mokslo fondo finansavimas suteikė galimybę simuliacijas atlikti Ilinojaus universitete esančiu Blue Waters superkompiuteriu, vienu iš galingiausių.

Efektyviai pažangiausią GPU išnaudojančiu kodu ir Blue Waters superkompiuteriu komanda atliko didžiausios raiškos – iki milijardo skaičiavimo vienetų – simuliaciją.

„Tokia didelė raiška pirmą kartą užtikrino, kad mūsų modeliuose tiksliai pavaizduojami nedideli turbulentiniai disko judesiai,“ sakė Tchekhovskoy. „Nustebome, kad šie judesiai tokie stiprūs, jog sukelia disko sustorėjimą ir sustabdo disko precesiją. Tai rodo, kad precesija gali vykti ne nuolatos, o pliūpsniais.“

Mažos raiškos simuliacijos (kairėje) ir didelės raiškos simuliacijos, atliktos Blue Waters (dešinėje) palyginimas parodo raiškos įtaką pakreipto akrecinio disko modeliams. Didelės raiškos modelis rodo, kad precesija ir lygiavimasis lėtėja dėl magnetinės turbulencijos sukelto disko storėjimo.

Kadangi JB akrecija yra itin sudėtinga sistema, panaši į uraganą, bet esanti taip toli, kad detalių įžiūrėti negalime, simuliacijos gali paaiškinti tai, ką stebime teleskopu ir suprasti JB elgesį.

Simuliacijos rezultatai svarbūs būsimiems besisukančių juodųjų bedugnių tyrimams, kurie dabar vyksta visame pasaulyje – mokslininkai stengiasi suprasti tokius neseniai atrastus reiškinius, kaip susiliejančių neutroninių žvaigždžių sukeltos gravitacinės bangos ir drauge kylantys elektromangnetiniai fejerverkai, o taip pat, kai supermasyvios JB ryja įprastas žvaigždes.

Šie skaičiavimai taip pat taikomi, aiškinantis pirmuosius Paukščių Tako centre esančios supermasyvios JB šešėlio duomenis, užfiksuotus Įvykių horizonto teleskopu (Event Horizon Telescope – EHT).

O be to, sraujymės precesija galėtų paaiškinti iš JB apylinkių atsklindančios šviesos intensyvumo fluktuacijas, vadinamąsias kvaziperiodines osciliacijas (QPO). Tokios osciliacijos gali vykti panašiai, kaip stebėtojui kinta besisukančio švyturio spindulio intensyvumas. Pirmąsias QPO šalia JB (rentgeno spindulių diapazone) 1985 metais atrado Michiel van der Klis (Amsterdamo universitetas), kuris yra ir naujojo straipsnio bendraautorius.

Kayla Stoner

Northwestern University

Daugiau informacijos: M Liska et al. Formation of precessing jets by tilted black hole discs in 3D general relativistic MHD simulations,Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters(2017). DOI: 10.1093/mnrasl/slx174