Melnie caurumi ir viens no visbrīnišķīgākajiem un noslēpumainākajiem Visuma spēkiem. Sākotnēji to paredzēja Einšteina vispārējās relativitātes teorija, šie punkti kosmosa laikā veidojas, kad masīvas zvaigznes dzīves beigās piedzīvo gravitācijas sabrukumu. Neskatoties uz gadu desmitiem ilgiem pētījumiem un novērojumiem, joprojām ir daudz, ko mēs nezinām par šo parādību.
Piemēram, zinātnieki joprojām lielākoties ir tumsā par to, kā uzvedas viela, kas nokļūst orbītā ap melno caurumu un pamazām tiek barota uz tā (akrecijas diski). Pateicoties nesenajam pētījumam, kurā starptautiska pētnieku grupa veica līdz šim vissīkākās melnā cauruma simulācijas, beidzot tika apstiprinātas vairākas teorētiskas prognozes attiecībā uz akrācijas diskiem.
Komandas sastāvā bija skaitļošanas astrofiziķi no Amsterdamas Universitātes Antona Pannekoeka Astronomijas institūta, Ziemeļrietumu Universitātes Astrofizikas starpdisciplinārās izpētes un pētniecības centra (CIERA) un Oksfordas Universitātes. Viņu pētījumu rezultāti parādījās žurnāla 5. Jūnija numurā Karaliskās astronomiskās biedrības ikmēneša paziņojumi.
Starp atklājumiem komanda apstiprināja Džeimsa Bārdena un Džeikoba Pettersona sākotnēji 1975. gadā izvirzīto teoriju, kas kļuvusi pazīstama kā Bārdena-Pettersona efekts. Saskaņā ar šo teoriju komanda secināja, ka, kamēr akrecijas diska ārējais reģions paliks sagāzts, diska iekšējais reģions sakrīt ar tā melnā cauruma ekvatoru.
Vienkārši sakot, gandrīz viss, ko pētnieki zina par melnajiem caurumiem, ir iemācījies, izpētot akrācijas diskus. Bez šiem spilgtajiem gāzes un putekļu gredzeniem maz ticams, ka zinātnieki spētu atrast melnos caurumus. Turklāt melnā cauruma augšana un griešanās ātrums ir atkarīgs arī no tā uzkrāsojuma diska, kas padara tos pētīt būtiskus, lai izprastu melno caurumu attīstību un izturēšanos.
Kā Aleksandrs Čehovskojs, an
Kopš Bārdena un Pettersona ierosinātā teorija melnā cauruma simulācijas ir cietušas no vairākiem jautājumiem, kas viņiem nav ļāvuši noteikt, vai šī izlīdzināšana notiek. Pirmkārt, kad akrecijas diski tuvojas notikumu horizontam, tie paātrinās līdz milzīgam ātrumam un pārvietojas pa kosmosa laika kropļiem reģioniem.
Otra problēma, kas vēl vairāk sarežģī, ir fakts, ka melnā cauruma rotācija liek telpas laikam ritināties ap to. Abos šajos jautājumos ir prasīts, lai astrofiziķi ņemtu vērā vispārējās relativitātes ietekmi, taču joprojām ir jautājums par magnētisko turbulenci. Šīs turbulences dēļ diska daļiņas turas kopā apļveida formā un
Līdz šim astrofiziķiem nav bijis skaitļošanas jaudas, lai par to visu varētu atbildēt. Lai izstrādātu stabilu kodu, kas spējīgs veikt simulācijas, kas atspoguļoja GR un magnētisko turbulenci, komanda izstrādāja kodu, kura pamatā bija grafiskās apstrādes vienības (GPU). Salīdzinot ar parastajiem centrālajiem procesoriem (CPU), GPU ir daudz efektīvāki attēlu apstrādes un skaitļošanas algoritmos, kas apstrādā lielus datu apjomus.
Komanda iekļāva arī metodi, ko sauc par adaptīvo acu uzlabošanu, kas ietaupa enerģiju, koncentrējoties tikai uz konkrētiem blokiem, kur notiek kustība, un attiecīgi pielāgojas. Lai ilustrētu atšķirību, Tchekhovskoy salīdzināja GPU un
“Pieņemsim, ka jums jāpārceļas uz jaunu dzīvokli. Ar šo jaudīgo Ferrari jums būs jāveic daudz braucienu, jo tas neietilps daudzās kastes. Bet, ja jūs varētu ievietot vienu lodziņu katram zirgam, jūs varētu visu pārvietot vienā piegājienā. Tas ir GPU. Tam ir daudz elementu, katrs no tiem ir lēnāks nekā CPU, taču to ir tik daudz. ”
Visbeidzot, bet ne mazāk svarīgi, komanda vadīja simulāciju, izmantojot Blue Waters superdatorus Ilinoisas Universitātes Urbana-Champaign Nacionālajā superdatoru lietojumprogrammu centrā (NCSA). Viņi atklāja, ka, kamēr diska ārējais reģions var būt flīzēts, iekšējais reģions tiks izlīdzināts ar melnā cauruma ekvatoru, un gluds velks tos savienos.
Papildus tam, ka tiek slēgts ilgstošās debates par melnajiem caurumiem un to akrecijas diskiem, tas arī parāda, ka kopš Bārdena un Pettersona dienām astrofizika ir progresējusi tālu. Kā Metjū Liska, pētnieks apkopoja:
Šīs simulācijas ne tikai atrisina 40 gadus vecu problēmu, bet arī ir parādījušas, ka pretēji tipiskajai domāšanai ir iespējams simulēt visspilgtākos akrecijas diskus pilnā vispārējā relativitātē. Tas paver ceļu nākamās paaudzes simulācijām, kuras, es ceru, atrisinās vēl svarīgākas problēmas, kas saistītas ar gaismas akrila diskiem. ”
Komanda atrisināja ilgstošo Bārdena-Pettersona efekta noslēpumu, līdz vēl nepieredzētām atšķaidot akrācijas disku un ņemot vērā magnetizēto turbulenci, kas izraisa diska uzkrāšanos. Iepriekšējās simulācijas veica būtisku vienkāršošanu, tikai tuvinot turbulences ietekmi.
Turklāt iepriekšējās simulācijas darbojās ar saīsinātiem diskiem, kuru minimālais augstuma un rādiusa koeficients bija 0,05, turpretī Čehovska un viņa kolēģi visvairāk interesēja efektus, kad disks tika atšķaidīts līdz 0,03. Par pārsteigumu, komanda atklāja, ka pat ar neticami plāniem akrila diskiem, melnais caurums joprojām gaismas ātrumā izstaroja daļiņu un starojuma strūklu (pazīstams arī kā relativistiskās strūklas).
Kā skaidroja Čehovskojs, šis bija diezgan negaidīts atradums:
“Neviens negaidīja, ka šie diski ražos strūklu tik mazā biezumā. Cilvēki gaidīja, ka magnētiskie lauki, kas rada šīs strūklas, vienkārši izlīs caur šiem patiešām plāniem diskiem. Bet tur viņi ir. Un tas patiesībā palīdz mums atrisināt novērošanas noslēpumus. ”
Ar visiem nesenajiem astrofiziķu atzinumiem, kas saistīti ar melnajiem caurumiem un to saknēm, jūs varētu teikt, ka mēs dzīvojam otrajā “relativitātes zelta laikmetā”. Un nebūtu pārspīlēti apgalvot, ka visu šo pētījumu zinātniskie ieguvumi varētu būt milzīgi. Izprotot, kā matērija uzvedas ekstrēmākajos apstākļos, mēs arvien tuvāk mācāmies, kā Visuma pamatjomi sader kopā.
