Nové simulace založené na některých z nejvýkonnějších superpočítačů na světě poskytují dosud nejjasnější obrázek o tom, jak černé díry spotřebovávají hmotu a uvolňují energii. Po desetiletí se astrofyzici pokoušeli přesně modelovat chaotické prostředí obklopující tyto kosmické obry, ale nedávné průlomy umožnily realističtější výpočty než kdykoli předtím.
Problém modelování dynamiky černé díry
Oblasti bezprostředně obklopující černé díry jsou jedny z nejnásilnějších a nejnestabilnějších ve vesmíru. Hmota mířící spirálovitě k horizontu událostí jen tak nezmizí; sráží se, zahřívá se na extrémní teploty a vydává intenzivní záření ve formě trysek a záblesků. Předchozí modely se často spoléhaly na zjednodušení, aby byly výpočty zvládnutelné, což nevyhnutelně vedlo ke ztrátě přesnosti. Tyto triky znamenaly, že klíčové fyzikální procesy byly ignorovány nebo aproximovány, což vedlo k omezenému pochopení toho, jak černé díry skutečně fungují.
Průlomové simulace kombinují data a teorii
Výzkumníci z Flataron Institute použili dva vysoce výkonné superpočítače ke spuštění simulací, které zahrnovaly detailní pozorování toků narůstání černých děr a také přesná měření spinu a síly magnetického pole. Tento přístup se vyhnul mnoha přílišným zjednodušením, které sužovaly dřívější studie. Výsledkem je model, který přesně popisuje chování hvězdných černých děr – o velikosti zhruba jako naše Slunce – jak pohlcují plyn, světlo a magnetismus.
„Je to poprvé, co jsme byli schopni vidět, co se stane, když se přesně zapnou nejdůležitější fyzikální procesy při akreci černých děr,“ říká astrofyzik Lizhong Zhang. “Tyto systémy jsou extrémně nelineární – jakýkoli příliš zjednodušující předpoklad může zcela změnit výsledek.”
Klíčové věci: Akreční disky, magnetická pole a uvolňování energie
Simulace potvrzují, že černé díry hromadí tlusté disky hmoty, než ji spotřebují. Tyto disky pohlcují značné množství záření, ale místo aby byly zničeny, většina energie se uvolňuje ve formě silných větrů a výtrysků. Tým také pozoroval úzký vír, který se tvoří blízko horizontu černé díry, což umožňuje nasávání materiálu neuvěřitelnou rychlostí. Konfigurace okolních magnetických polí se ukázala jako kritická, poháněla plyn směrem k černé díře a směrovala energii do soustředěných proudů, které lze pozorovat pouze z určitých úhlů.
Proč na tom záleží: Propojení teorie a pozorování
Tyto simulace nejen potvrzují existující teorie, ale také pomáhají vysvětlit pozorování, která astronomy už roky mátla. Modely odpovídají datům z různých systémů černých děr, včetně některých, které vyzařují neočekávaně nízké úrovně rentgenového záření. Tým věří, že tyto nekonzistence, známé jako „malé červené tečky“, mohou být odstraněny dalším vylepšením jejich simulací.
Budoucí výzkum: Měřítko a řešení vesmírných záhad
Vědci plánují aplikovat své modely na supermasivní černé díry, jako je Sagittarius A ve středu Mléčné dráhy. Tato práce by mohla potenciálně odhalit hlubší porozumění chování těchto záhadných objektů a poskytnout úplnější pochopení toho, jak černé díry utvářejí vesmír. * Přesným zpracováním záření v rámci Einsteinovy teorie obecné relativity tým vytvořil mocný nástroj pro studium extrémních jevů ve fyzice.
Důsledky tohoto výzkumu přesahují astrofyziku. Posouváním limitů superpočítačů a teoretického modelování vědci získávají hlubší pochopení gravitace, magnetismu a základních zákonů, které řídí vesmír.
