Svarta hål har varit en oändlig källa till fascination ända sedan Einsteins teori om allmän relativitet förutspådde deras existens. Under de senaste 100 åren har studien av svarta hål utvecklats avsevärt, men dessa objekts vördnad och mysterium kvarstår. Till exempel har forskare noterat att svarta hål i vissa fall har massiva strålar med laddade partiklar som kommer från dem som sträcker sig över miljoner ljusår.
Dessa ”relativistiska jetflygplan” - så kallade för att de driver laddade partiklar med en bråkdel av ljusets hastighet - har förundrat astronomer i flera år. Men tack vare en nyligen genomförd studie av ett internationellt forskarteam har ny insikt fått dessa jetflygplan. I överensstämmelse med den allmänna relativiteten visade forskarna att dessa jetflyg gradvis behövs (dvs. ändrar riktning) till följd av att rymdtid dras in i det svarta hålets rotation.
Deras studie, med titeln "Formation of Precessing Jets by Tilted Black Hole Discs in 3D General Relativistic MHD Simulations", dök nyligen upp i Månadsmeddelanden från Royal Astronomical Society. Teamet bestod av medlemmar från Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA) vid Northwestern University.
För studiens skull genomförde teamet simuleringar med hjälp av Blue Waters superdator vid University of Illinois. De simuleringar de genomförde var de första någonsin att modellera beteendet hos relativistiska jetflygningar från Supermassive Black Holes (SMBH). Med nära en miljard beräkningsceller var det också den högsta upplösningssimuleringen av ett anslutande svart hål någonsin uppnåtts.
Som Alexander Tchekhovskoy, biträdande professor i fysik och astronomi vid Northwesterns Weinberg College of Arts and Sciences, förklarade i ett nyligen pressmeddelande från Northwestern Now:
”Att förstå hur roterande svarta hål drar rumstiden runt dem och hur denna process påverkar det vi ser genom teleskopen är fortfarande ett avgörande, svårt att knäcka pussel. Lyckligtvis gör genombrotten i kodutveckling och språng i superdatorns arkitektur oss allt närmare att hitta svaren. ”
Precis som alla supermassiva svarta hål, snabbt snurrande SMBH: er regelbundet (aka. Accrete) materia. Men snabbt snurrande svarta hål är också kända för hur de avger energi i form av relativistiska strålar. Det som matar dessa svarta hål bildar en roterande skiva runt dem - alias. en ackretionsskiva - som kännetecknas av heta, aktiverade gas- och magnetfältlinjer.
Det är närvaron av dessa fältlinjer som gör att svarta hål kan driva energi i form av dessa strålar. Eftersom dessa strålar är så stora är de lättare att studera än själva svarta hålen. På så sätt kan astronomer förstå hur snabbt riktningen för dessa jets förändras, vilket avslöjar saker om rotationen av de svarta hålen själva - som orienteringen och storleken på deras roterande skivor.
Avancerade datorsimuleringar är nödvändiga när det gäller studier av svarta hål, till stor del för att de inte kan observeras i synligt ljus och vanligtvis är mycket långt borta. Till exempel är den närmaste SMBH till jorden Skytten A *, som ligger ungefär 26 000 ljusår bort i mitten av vår galax. Som sådan är simuleringar det enda sättet att avgöra hur ett mycket komplext system som ett svart hål fungerar.
I tidigare simuleringar arbetade forskare under antagandet att svarthålskivorna var i linje. Emellertid har de flesta SMBH: er visat sig ha lutande skivor - dvs skivorna roterar runt en separat axel än själva svarta hålet. Denna studie var därför ledande eftersom den visade hur skivor kan ändra riktning i förhållande till deras svarta hål, vilket ledde till föregående jets som periodvis ändrar riktning.
Detta var tidigare okänt på grund av den otroliga mängden datorkraft som behövs för att konstruera 3D-simuleringar av regionen som omger ett snabbt snurrande svart hål. Med stöd av en National Science Foundation (NSF) -stöd kunde teamet uppnå detta genom att använda Blue Waters, en av de största superdatorerna i världen.
Med denna superdator till sitt förfogande kunde teamet konstruera den första simuleringskoden för svart hål, som de accelererade med hjälp av grafiska processorenheter (GPU: er). Tack vare denna kombination kunde teamet genomföra simuleringar som hade den högsta upplösningsnivån som någonsin uppnåtts - dvs nära en miljard beräkningsceller. Som Tchekhovskoy förklarade:
”Den höga upplösningen tillät oss för första gången att se till att småskaliga turbulenta skivrörelser fångas exakt i våra modeller. Till vår överraskning visade sig dessa rörelser vara så starka att de fick hårddisken att fatta upp och skivans presession stoppade. Detta antyder att precession kan uppstå i skur. "
Relativistiska strålars förekomst skulle kunna förklara varför ljusfluktuationer har observerats från runt svarta hål i det förflutna - som är kända som kvasi-periodiska svängningar (QPO). Dessa balkar, som först upptäcktes av Michiel van der Klis (en av medförfattarna till studien), fungerar på ungefär samma sätt som en kvasars balkar, som verkar ha en strövande effekt.
Denna studie är en av många som håller på att rotera svarta hål runt om i världen, vars syfte är att få en bättre förståelse om nyare upptäckter som gravitationella vågor, som orsakas av sammanslagningen av svarta hål. Dessa studier tillämpas också på observationer från Event Horizon Telescope, som fångade de första bilderna av Skytten A *: s skugga. Vad de kommer att avslöja är säkert att locka och förvåna och potentiellt fördjupa mysteriet med svarta hål.
Under det senaste århundradet har studien av svarta hål avancerat avsevärt - från de rent teoretiska, till indirekta studier av de effekter de har på omgivningen, till studien av gravitationsvågorna själva. Kanske en dag kan vi faktiskt kunna studera dem direkt eller (om det inte är för mycket att hoppas på) kika direkt inuti dem!
