Аномально швидка зміна яскравості деяких квазарів довгий час не давало спокою вченим. Існуючі моделі не могли пояснити таку мінливість найпотужніших джерел випромінювання у Всесвіті. Щоб розібратися в цьому парадоксі, американські астрофізики змоделювали «харчову поведінку» надмасивних чорних дір з безпрецедентною деталізацією.
Візуалізація, яка змінила уявлення про зовнішній вигляд чорних дір з акреційним диском – кадр з симуляції, яка лягла в основу графіки для фільму “Інтерстеллар” / ©Classical and Quantum Gravity, DOI:10.1088/0264-9381/32/6/065001
Класичне представлення акреційного диска чорної діри знайоме кожному любителю астрономії. Візуалізація в стилі “Інтерстеллара” дещо модифікувала цей образ, але принципово нічого не змінилося.
Є дуже багато речовини, вона збирається в порівняно тонкий диск і повільно падає на чорну діру. Чим ближче до горизонту подій — тим вища швидкість руху матерії, частіше зіткнення та інші взаємодії, вище температура. Отже, випромінювання інтенсивніше.
Особливо великі чорні діри здатні зібрати так багато речовини, що внутрішні регіони акреційного диска світять тисячократно яскравіше всіх зірок в навколишній галактиці, разом узятих. Однак навіть найбільш яскраві і масивні об’єкти описуються моделями, процеси, які протікають в акреційному диску, розвиваються повільно. Матерія, яка знаходиться на межі небуття здійснює безліч оборотів навколо чорної діри, перш ніж пропаде остаточно.
Більшість існуючих моделей чорної діри не допускають жодних швидкоплинних подій. Астрономічні спостереження в цілому таку картину світу підтверджують. Але є винятки.
Частина квазарів – екстремально яскраві активні центри галактик – поводяться не зовсім так. Деякі з них радикально змінюють свою яскравість за лічені місяці або навіть тижні, чого не повинно відбуватися. Не може ж вся внутрішня частина акреційного диска раптово зникнути?
Астрофізики з північно-західного університету (NU), США, знайшли пояснення подібних явищ. Для цього їм треба було об’єднати в єдиний комплекс відразу кілька моделей. В результаті одночасно враховували ефекти загальної теорії відносності, газодинаміки і магнітної гідродинаміки. Щоб обрахувати таку модель з безпрецедентним розрішенням, застосували суперкомп’ютер Summit (п’ята сходинка в TOP500).
- “Місячна село” більше не здається фантастикою
- Астрономи зрозуміли, чому в телескоп не видно масивних чорних дір
- Злиття чорних дір можуть супроводжуватися електромагнітним спалахом
Крім високої деталізації своєї симуляції, американські дослідники додали в неї ще одне нововведення. Річ у тім, що раніше моделювання акреційних дисків передбачало їх співнаправлене обертання з чорною дірою. У новому моделюванні вісь і напрямок обертання чорної діри не збігаються з віссю та напрямком обертання акреційного диска. Адже падаюча матерія не зобов’язана знати, куди крутиться надмасивний об’єкт, який притягає її.
Акреційний диск навколо надмасивної чорної діри розірваний на два піддиски – внутрішній і зовнішній. На зовнішньому видно хвилі напруг, що виникають через те, що він обертається не співвісно з чорною дірою. Внутрішній субдиск вже орієнтований на площину обертання чорної діри / © Нік Кааз, північно-західний університет
Результатом стали дивовижні ефекти. Внутрішня частина акреційного диска розбилася на кілька менших кілець, які прецесують і розриваються на частини ударними хвилями. Через це швидкість поглинання речовини чорною дірою зросла в рази. Той обсяг, який вона повинна була «з’їсти» за століття, пропадав всього за кілька місяців.
І внутрішня, найяскравіша, частина акреційного диска швидко зникала. Місце, що звільнилося займала матерія, що обертається далі, – і процес повторювався. Дуже схоже на нерегулярну яскравість деяких квазарів.
Дослідження американських астрофізиків наочно показало, яку велику роль в сучасній науці відіграє доступність величезних обчислювальних потужностей. Широко використовувані вченими моделі чорних дір, які не могли показати таку їх поведінку, — непогані. Вони недостатньо деталізовані, щоб описати будь-які приклади, крім найбільш простих і поширених. І щоб об’єднати кілька таких моделей в повну картину, потрібні найбільш продуктивні суперкомп’ютери в світі.
Нове моделювання не використовувало жодних радикально нових даних чи моделей. Розрив внутрішніх частин акреційного диска пояснюється давно відомим ефектом Лензе-Тіррінга: надмасивні чорні, діри обертаючись, захоплюють за собою простір-час навколо — це називається захопленням інерційних систем відліку (frame-dragging).
Захоплення інерційних систем відліку (frame-dragging) як один із наслідків існування обертових масивних об’єктів згідно з загальною теорією відносності було передбачено давно. На практиці підтвердити його існування вдається нечасто, один з останніх доказів — багаторічні спостереження пульсара PSR J1141-6545, що обертається навколо білого карлика. Завдяки точному вимірюванню імпульсів випромінювання від цього джерела астрофізики змогли помітити зміни його орбітальних параметрів (прецесію), викликані ефектом Лензе-Тіррінга (на ілюстрації) / © Mark Myers, Ozgrav ARC Centre of Excellence
Матерія, яка обертається навколо чорної діри зустрічає на своєму шляху такі збурення простору-часу, вони передають їй додаткову енергію. Через це речовина змінює свою траєкторію і формує субдиски, які прецесують як вовчки.
Як тільки їх напруга досягає певної межі, матерія збивається в більш щільні згустки, які ще швидше падають на чорну діру. Доповнюють картину зіткнення внутрішнього і зовнішнього субдисків: їх утворюється кілька, прецесують вони з різною швидкістю і розриваються теж не одночасно. Це ще раз прискорює падіння матерії на чорну діру.
Наукова робота з описом моделювання та результатами його аналізу опублікована в рецензованому журналі The Astrophysical Journal. Її значення ще належить оцінити. Але потенційно праця фахівців з Північно-Західного університету здатна здорово скорегувати загальне розуміння швидкості еволюції чорних дір у Всесвіті.
Якщо вони здатні “їсти” набагато швидше, ніж раніше вважалося, то і галактики з надмасивними чорними дірами в центрі могли з’явитися раніше.