By 
Групі астрофізиків під керівництвом Каліфорнійського технологічного інституту вперше вдалося змоделювати подорож первісного газу з раннього Всесвіту до стадії, на якій він потрапляє в диск матеріалу, що живить одну надмасивну чорну діру. Нове комп’ютерне моделювання перевертає уявлення астрономів про такі диски з 1970-х років і прокладає шлях для нових відкриттів про те, як чорні діри та галактики ростуть і еволюціонують.
«Наше нове моделювання знаменує собою кульмінацію кількох років роботи двох великих спільних проектів, розпочатих тут, у Каліфорнійському технологічному інституті», — каже Філ Хопкінс, професор теоретичної астрофізики Іри С. Боуена.
Перша співпраця під назвою FIRE (Feedback in Realistic Environments) була зосереджена на більших масштабах Всесвіту, вивчаючи такі питання, як формування галактик і що відбувається, коли галактики стикаються. Інший, який отримав назву STARFORGE, був розроблений для дослідження значно менших масштабів, у тому числі того, як зірки утворюються в окремих хмарах газу.
«Але між ними був великий розрив», — пояснює Хопкінс. «Тепер ми вперше подолали цей розрив».
Для цього дослідникам довелося створити симуляцію з роздільною здатністю, яка більш ніж у 1000 разів перевищує попередні найкращі результати в цій галузі.
На подив команди, як повідомляється в The Open Journal of Astrophysics, симуляція показала, що магнітні поля відіграють набагато більшу роль, ніж вважалося раніше, у формуванні та формуванні величезних дисків матеріалу, який обертається навколо та живить надмасивні чорні діри.
«Наші теорії говорили нам, що диски повинні бути плоскими, як млинці», — каже Хопкінс. «Але ми знали, що це неправильно, тому що астрономічні спостереження показують, що диски насправді пухнасті — більше схожі на торт з ангелами. Наше моделювання допомогло нам зрозуміти, що магнітні поля підтримують матеріал диска, роблячи його пухнастим».
Візуалізація активності навколо надмасивних чорних дір за допомогою «суперзбільшень»
У новому моделюванні дослідники виконали те, що вони називають «суперзбільшенням» однієї надмасивної чорної діри, жахливого об’єкта, який лежить у серці багатьох галактик, включаючи наш Чумацький Шлях. Ці ненажерливі таємничі тіла містять масу, яка в тисячі до мільярдів разів перевищує масу Сонця, і тому справляють величезний вплив на все, що наближається.
Астрономи десятиліттями знали, що коли газ і пил втягуються величезною силою тяжіння цих чорних дір, вони не всмоктуються відразу. Натомість матеріал спочатку утворює швидко обертовий диск, який називається акреційним диском. І коли матеріал ось-ось впаде, він випромінює величезну кількість енергії, сяючи блиском, незрівнянним ні з чим у Всесвіті. Але багато чого ще невідомо про ці активні надмасивні чорні діри, які називаються квазарами, і про те, як утворюються та поводяться диски, які їх живлять.
Хоча диски навколо надмасивних чорних дір були зображені раніше — Event Horizon Telescope зобразив диски, що обертаються навколо чорних дір у серці нашої власної галактики у 2022 році та Мессьє 87 у 2019 році, — ці диски набагато ближчі та більш ручні, ніж ті, що обертаються навколо квазарів. .
Щоб візуалізувати те, що відбувається навколо цих більш активних і віддалених чорних дір, астрофізики звертаються до суперкомп’ютерного моделювання. Вони передають інформацію про фізику, яка працює в цих галактичних умовах, — усе, починаючи від базових рівнянь, які керують гравітацією, і закінчують тим, як поводитися з темною матерією та зірками — у тисячі обчислювальних процесорів, які працюють паралельно.
Ці вхідні дані містять багато алгоритмів або рядів інструкцій, за якими комп’ютери повинні слідувати, щоб відтворити складні явища. Так, наприклад, комп’ютери знають, що коли газ стає достатньо щільним, утворюється зірка. Але процес не такий простий.
«Якщо ви просто скажете, що гравітація тягне все вниз, а потім газ утворює зірку, а зірки просто накопичуються, ви все зрозумієте дуже неправильно», — пояснює Хопкінс.
Зрештою, зірки роблять багато речей, які впливають на їх оточення. Вони випромінюють випромінювання, яке може нагрівати або штовхати навколишній газ. Вони дмуть вітри, як сонячний вітер, створений нашим власним сонцем, який може змітати матеріал. Вони вибухають у вигляді наднових, іноді запускаючи матеріал із галактик або змінюючи хімічний склад свого оточення. Отже, комп’ютери також повинні знати всі тонкощі цього «зоряного зворотного зв’язку», оскільки він регулює, скільки зірок насправді може утворитися в галактиці.
Створення моделювання, яке охоплює кілька масштабів
Але в цих більших масштабах набір фізичних елементів, які є найважливішими для включення, і які наближення можуть бути зроблені, відрізняються від таких у менших масштабах. Наприклад, у галактичному масштабі складні деталі того, як поводяться атоми та молекули, є надзвичайно важливими і повинні бути вбудовані в будь-яке моделювання. Проте вчені погоджуються, що коли моделювання зосереджується на найближчій області навколо чорної діри, молекулярну хімію можна здебільшого ігнорувати, оскільки газ там занадто гарячий для існування атомів і молекул. Замість цього існує гаряча іонізована плазма.
Створення симуляції, яка могла б охопити всі відповідні масштаби аж до рівня одного акреційного диска навколо надмасивної чорної діри, було величезним обчислювальним завданням, яке також потребувало коду, який міг би впоратися з усією фізикою.
«Були деякі коди, які містили фізику, необхідну для вирішення маломасштабної частини проблеми, і деякі коди, які мали фізику, необхідну для вирішення більшої, космологічної частини проблеми, але нічого, що мало б обидва», Гопкінс каже.
Команда під керівництвом Каліфорнійського технологічного інституту використовувала код, який вони називають GIZMO, як для великих, так і для малих проектів моделювання. Важливо те, що вони створили проект FIRE так, щоб уся фізика, яку вони до нього додали, могла працювати з проектом STARFORGE, і навпаки.
«Ми побудували його дуже модульним способом, щоб ви могли вмикати та вимикати будь-які фізичні частини, які вам потрібні для певної задачі, але всі вони були перехресно сумісні», — каже Хопкінс.
Це дозволило вченим в останній роботі змоделювати чорну діру, яка приблизно в 10 мільйонів разів перевищує масу нашого Сонця, починаючи з раннього Всесвіту. Потім симуляція наближає цю чорну діру в той момент, коли гігантський потік матеріалу відривається від хмари газу, що утворює зірки, і починає обертатися навколо надмасивної чорної діри. Симуляція може продовжувати збільшувати масштаб, вирішуючи більш тонку область на кожному кроці, коли він слідує за газом на шляху до отвору.
Напрочуд пухнасті, магнітні диски
«У нашому моделюванні ми бачимо цей акреційний диск, який утворюється навколо чорної діри», — каже Хопкінс. «Ми були б дуже схвильовані, якби щойно побачили цей акреційний диск, але дуже здивувало те, що змодельований диск виглядає не так, як ми думали десятиліттями».
У двох основоположних статтях 1970-х років, які описували акреційні диски, що живлять надмасивні чорні діри, вчені припустили, що тепловий тиск — зміна тиску, спричинена зміною температури газу в дисках — відіграє домінуючу роль у запобіганні колапсу таких дисків під впливом величезна сила тяжіння, яку вони відчувають поблизу чорної діри. Вони визнали, що магнітні поля можуть відігравати незначну роль у зміцненні дисків.
Навпаки, нове моделювання показало, що тиск від магнітних полів таких дисків насправді в 10 000 разів перевищує тиск від тепла газу.
«Отже, диски майже повністю контролюються магнітними полями», — каже Хопкінс. «Магнітні поля виконують багато функцій, одна з яких полягає в тому, щоб підтримувати диски та робити матеріал пухким».
Це усвідомлення змінює безліч прогнозів, які вчені можуть зробити щодо таких акреційних дисків, наприклад, їхню масу, те, наскільки вони повинні бути щільними та товстими, як швидко матеріал повинен рухатися з них у чорну діру, і навіть їхню геометрію (наприклад, чи можуть диски бути однобокими).
Заглядаючи вперед, Хопкінс сподівається, що ця нова здатність подолати розрив у масштабах космологічного моделювання відкриє багато нових шляхів дослідження. Наприклад, що відбувається в деталях, коли дві галактики зливаються? Які типи зірок утворюються в щільних регіонах галактик, де умови не схожі на умови поблизу нашого Сонця? Як могло виглядати перше покоління зірок у Всесвіті?
«Там просто так багато потрібно зробити», — каже він.
Comments