Svarta hål är en av de mest häftiga och mystiska krafterna i universum. Ursprungligen förutsagt av Einsteins teorin om allmän relativitet, dessa punkter i rymdtiden bildas när massiva stjärnor genomgår gravitationskollaps i slutet av deras liv. Trots decennier av studier och observationer finns det fortfarande mycket vi inte vet om detta fenomen.
Till exempel är forskare fortfarande till stor del i mörkret om hur ämnet som faller i en bana runt ett svart hål och gradvis matas på det (ackretionsskivor) beter sig. Tack vare en nyligen genomförd studie, där ett internationellt team av forskare genomförde de mest detaljerade simuleringarna av ett svart hål hittills, har ett antal teoretiska förutsägelser angående ackretionsskivor äntligen validerats.
Teamet bestod av beräknings astrofysiker från University of Amsterdam's Anton Pannekoek Institute for Astronomy, Northwestern University Center for Interdisciplinary Exploration & Research in Astrophysics (CIERA) och University of Oxford. Deras forskningsresultat dök upp i den 5 juni utgåvan av Månadsmeddelanden från Royal Astronomical Society.
Bland deras resultat bekräftade teamet en teori som ursprungligen presenterades 1975 av James Bardeen och Jacobus Petterson, som har blivit känd som Bardeen-Petterson-effekten. I enlighet med den här teorin fann teamet att medan det yttre området på en ackretionsskiva förblir lutat, kommer skivans inre region att anpassas till dess svarta hålets ekvator.
För att uttrycka det enkelt, har nästan allt forskare vet om svarta hål lärt sig genom att studera ackretionsskivor. Utan dessa ljusa ringar med gas och damm är det osannolikt att forskare skulle kunna hitta svarta hål. Dessutom är ett svart håls tillväxt och rotationshastighet också beroende av dess ackretionsskiva, vilket gör studien av dem väsentlig för att förstå utvecklingen och beteendet hos svarta hål.
Som Alexander Tchekhovskoy, en
Ända sedan Bardeen och Petterson föreslog sin teori har simuleringar i svart hål drabbats av ett antal problem som har hindrat dem från att avgöra om denna anpassning äger rum. Först av allt, när ackretionsskivor närmar sig Event Horizon, accelererar de till enorma hastigheter och rör sig genom snedställda områden i rymdtiden.
En andra fråga som komplicerar saken ytterligare är det faktum att ett svart håls rotation tvingar rummet att snurra runt det. Båda dessa frågor kräver att astrofysiker redogör för effekterna av allmän relativitet, men det finns fortfarande frågan om magnetisk turbulens. Denna turbulens får diskens partiklar att hålla ihop i cirkulär form och
Hittills har astrofysiker inte haft datorkraften för att redovisa allt detta. För att utveckla en robust kod som kan utföra simuleringar som stod för GR och magnetisk turbulens utvecklade teamet en kod baserad på grafiska processorenheter (GPU). Jämfört med konventionella centralbearbetningsenheter (CPU) är GPU: er mycket effektivare vid bildbehandlings- och beräkningsalgoritmer som bearbetar stora datalängder.
Teamet införlivade också en metod som kallas adaptiv nätfinansiering, som sparar energi genom att endast fokusera på specifika block där rörelse sker och anpassar sig efter detta. För att illustrera skillnaden jämförde Tchekhovskoy GPU: er och
"Låt oss säga att du måste flytta in i en ny lägenhet. Du kommer att behöva göra många resor med den här kraftfulla Ferrari eftersom den inte passar många rutor. Men om du kunde sätta en låda på varje häst, kan du flytta allt på en gång. Det är GPU. Det har många element, som var och en är långsammare än de i CPU, men det finns så många av dem. ”
Senast, men inte minst, körde teamet sin simulering med hjälp av Blue Waters superdatorer vid National Center for Supercomputing Applications (NCSA) vid University of Illinois i Urbana-Champaign. Vad de fann var att medan det yttre området på en skiva kan kaklas, kommer det inre området att vara i linje med det svarta hålets ekvator och en jämn varp kommer att förbinda dem.
Förutom att det har stängts av en långvarig debatt om svarta hål och deras ackretionsskivor, visar denna studie också att astrofysik har gått långt sedan Bardeen och Pettersons dagar. Som Matthew Liska sammanfattade en forskare:
”Dessa simuleringar löser inte bara ett 40-årigt problem, utan de har visat att det, i motsats till vanligt tänkande, är möjligt att simulera de mest lysande skivorna i full generell relativitet. Detta banar vägen för en nästa generations simuleringar, som jag hoppas kommer att lösa ännu viktigare problem kring lysande ackretionsskivor. ”
Teamet löst Bardeen-Petterson-effektens långvariga mysterium genom att utjämna ackretionsskivan i en aldrig tidigare skådad grad och ta hänsyn till den magnetiserade turbulensen som får skivan att anpassa sig. Tidigare simuleringar gjorde en betydande förenkling genom att bara tillnärma effekterna av turbulensen.
Dessutom fungerade tidigare simuleringar med tunnare skivor som hade ett minimihöjd-till-radie-förhållande på 0,05, medan de mest intressanta effekterna som Tchekhovskoy och hans kollegor visade inträffade när hårddisken tunnades till 0,03. Till deras överraskning fann teamet att även med otroligt tunna ackretionsskivor emitterade det svarta hålet fortfarande strålar av partiklar och strålning med en del av ljusets hastighet (alias relativistiska jetstrålar).
Som Tchekhovskoy förklarade var detta ett ganska oväntat fynd:
”Ingen förväntade sig att jets skulle produceras av dessa skivor med så små tjocklekar. Folk förväntade sig att de magnetiska fälten som producerar dessa strålar bara skulle riva igenom dessa riktigt tunna skivor. Men där är de. Och det hjälper oss faktiskt att lösa observationsmysterier. ”
Med alla de senaste fynd som astrofysiker har gjort angående svarta hål och deras tillträngningsskivor, kan du säga att vi lever i den andra "Golden Age of Relativity". Och det skulle inte vara någon överdrift att säga att den vetenskapliga vinsten för all denna forskning kan vara enorm. Genom att förstå hur materien beter sig under de mest extrema förhållanden, närmar vi oss allt närmare de universella grundläggande krafterna.
