A fekete lyukak a legfélelmetesebb és leginkább titokzatos erők az univerzumban. Eredetileg az Einstein általános relativitáselméletének előrejelzése szerint ezek az űridő pontok akkor alakulnak ki, amikor a hatalmas csillagok életük végén gravitációs összeomláson mennek keresztül. A több évtizedes tanulmányok és megfigyelések ellenére még mindig sok mindent nem tudunk erről a jelenségről.
Például a tudósok még mindig nagyrészt sötétben vannak arról, hogyan viselkednek az anyagok, amelyek egy fekete lyuk körül pályára kerülnek és fokozatosan táplálkoznak rá. Egy nemrégiben elvégzett tanulmánynak köszönhetően, ahol egy nemzetközi kutatócsoport végezte el a legfrissebb fekete lyuk szimulációit, végre számos elméleti előrejelzést validált az akrilizáló lemezekkel kapcsolatban.
A csapat számítási asztrofizikusokból állt az Amszterdami Egyetem Anton Pannekoek Csillagászati Intézetéből, az Északnyugati Egyetem Asztrofizikai Interdiszciplináris Kutatási és Kutatási Központjából (CIERA) és az Oxfordi Egyetemből. Kutatási eredményeik a A Királyi Csillagászati Társaság havi értesítései.
Megállapításaik között a csoport megerősítette egy James Bardeen és Jacobus Petterson által 1975-ben eredetileg kifejlesztett elméletet, amelyet a Bardeen-Petterson effektusnak hívtak. Ezen elméletnek megfelelően a csoport úgy találta, hogy míg az akkumulációs tárcsa külső területe megdöntött marad, a korong belső régiója igazodik a fekete lyuk egyenlõjéhez.
Egyszerűen fogalmazva: szinte mindent, amit a kutatók tudnak a fekete lyukakról, megtanultak az akkripciós lemezek tanulmányozásával. E fényes gáz- és porgyűrűk nélkül nem valószínű, hogy a tudósok képesek lennének megtalálni a fekete lyukakat. Ráadásul a fekete lyuk növekedése és forgási sebessége szintén függ az akkumulációs korongtól, ezért ezek tanulmányozása elengedhetetlen a fekete lyukak kialakulásának és viselkedésének megértéséhez.
Mint Alexander Tchekhovskoy, an
Mióta Bardeen és Petterson elméletét javasolta, a fekete lyuk szimulációi számos kérdésben szenvedtek, amelyek megakadályozták őket abban, hogy meghatározzák, ha ez az igazítás zajlik. Mindenekelőtt, amikor az akkumulációs tárcsák megközelítik az Esemény Horizontot, akkor hatalmas sebességre gyorsulnak és áthaladnak az űridő csavart területein.
A kérdést tovább bonyolítja az a tény, hogy egy fekete lyuk forgása arra kényszeríti a tér-időt, hogy körül forogjon. Mindkét kérdés megköveteli, hogy az asztrofizikusok számolják be az általános relativitáselmélet hatásait, ám továbbra is fennáll a mágneses turbulencia kérdése. Ez a turbulencia miatt a lemez részecskéi kör alakban tartják egymást és
Mostanáig az asztrofizikusok nem rendelkeztek számítási képességgel, hogy mindezt beszámolják. Egy olyan robusztus kód kidolgozására, amely képes a GR és a mágneses turbulencia elszámolására, a grafikus feldolgozó egységeken (GPU) alapuló kódot fejlesztett ki. A hagyományos központi feldolgozó egységekkel összehasonlítva a GPU-k sokkal hatékonyabbak a nagy adatmennyiséget feldolgozó képfeldolgozási és számítási algoritmusoknál.
A csapat beépítette az adaptív háló finomításának nevezett módszert is, amely energiát takarít meg azáltal, hogy csak azokra a konkrét blokkokra koncentrál, ahol a mozgás megtörténik, és ennek megfelelően alkalmazkodik. A különbség szemléltetésére Tchekhovskoy összehasonlította a GPU-kat és a
„Tegyük fel, hogy új lakásba kell költöznie. Sokat kell kirándulnia ezzel a nagyteljes Ferrarival, mert sok dobozba nem fog beleférni. De ha minden lóhoz tudna rakni egy dobozt, akkor mindent egyszerre mozgathat. Ez a GPU. Nagyon sok elemmel rendelkezik, amelyek mindegyike lassabb, mint a CPU-ban, de nagyon sok ilyen van. ”
Végül, de nem utolsósorban, a csapat a Blue Waters szuperszámítógépekkel futtatta az Urbano-Champaign Illinoisi Egyetemen lévő Nemzeti Szuperszámítógépes Alkalmazások Központjában (NCSA). Azt találták, hogy amíg a lemez külső része csempézett lehet, a belső régió igazodik a fekete lyuk egyenlítőjéhez, és egy sima vetemedés köti össze őket.
Amellett, hogy befejezi a fekete lyukakról és azok beillesztési lemezeiről szóló régóta folyó vitát, ez a tanulmány azt is mutatja, hogy az asztrofizika messze előrehaladtunk Bardeen és Petterson napja óta. Mint Matthew Liska, a kutató összefoglalta:
„Ezek a szimulációk nem csak egy 40 éves problémát oldják meg, hanem bebizonyították, hogy a tipikus gondolkodással ellentétben a leginkább világító akkreditációs lemezeket a teljes általános relativitáselméletben szimulálni lehet. Ez előkészíti az utat a szimulációk következő generációjához, amely remélem még ennél is fontosabb problémákat old meg a fényvisszaverő lemezekkel kapcsolatban. ”
A csapat megoldotta a Bardeen-Petterson-effektus régóta rejtélyét az akkreditáló korong soha nem látott mértékű elvékonyításával és a mágneses turbulencia tényezõjének figyelembevételével, amely a korong felgyorsulásához vezet. A korábbi szimulációk lényeges egyszerűsítést hajtottak végre a turbulencia hatásainak közelítésével.
Sőt, a korábbi szimulációk olyan vékony lemezeken működtek, amelyek minimális magasság-sugár aránya legalább 0,05 volt, míg a Tchekhovskoy és munkatársai által a legérdekesebb effektusok a lemez 0,03-ra történő elvékonyodása után fordultak elő. Meglepetésükre, a csapat azt találta, hogy még a hihetetlenül vékony akkumulátoros tárcsákkal is a fekete lyuk a fénysebesség egy részén kibocsátott részecskék és sugárzás sugárzását (más néven: relativista fúvókák).
Amint Tchekhovskoy kifejtette, ez meglehetősen váratlan eredmény volt:
Senki sem vélte, hogy ezek a tárcsák ilyen kis vastagságú fúvókákat állítanak elő. Az emberek azt várták, hogy ezeket a fúvókákat előállító mágneses mezők csak áthatolnak ezeken az igazán vékony lemezeken. De ott vannak. És ez valóban segít a megfigyelési rejtélyek megoldásában. "
Az asztrofizikusok által a fekete lyukakkal és akkreditációs lemezükkel kapcsolatban a közelmúltban tett megállapítások szerint elmondhatjuk, hogy a relativitás második aranykorában élünk. És nem lenne túlzás azt mondani, hogy ennek a kutatásnak a tudományos haszna óriási lehet. Ha megértjük, hogy az anyag hogyan viselkedik a legszélsőségesebb körülmények között, egyre közelebb kerülünk annak megtanulásához, hogy az Univerzum alapvető erői hogyan illeszkednek egymáshoz.
