A fekete lyukak végtelen lenyűgöző forrása volt azóta, hogy Einstein általános relativitáselmélete megjósolta létezését. Az elmúlt 100 évben a fekete lyukak vizsgálata jelentősen fejlődött, ám ezen objektumok félelme és rejtélye továbbra is fennáll. Például a tudósok megjegyezték, hogy bizonyos esetekben a fekete lyukakon nagy mennyiségű töltött részecske fúvódik ki, amelyek több millió fényévig terjednek.
Ezek a „relativista fúvókák” - úgynevezett, mert a fénysebesség töredékénél hajtanak töltött részecskéket - évek óta zavarják a csillagászokat. De egy nemzetközi kutatók által készített közelmúltbeli tanulmánynak köszönhetően új betekintést nyertek ezekbe a fúvókákba. Az általános relativitáselmélettel összhangban a kutatók kimutatták, hogy ezek a fúvókák fokozatosan előtérbe kerülnek (vagyis megváltoztatják az irányt) annak eredményeként, hogy a téridőt a fekete lyuk forgásába húzták.
A „Fúvókák előzetes kialakítása ferde fekete lyukakkal történő 3D-s általános relativista MHD-szimulációkban” című tanulmányuk a közelmúltban jelent meg a A Királyi Csillagászati Társaság havi értesítései. A csoport tagjai az Északnyugati Egyetem Interdiszciplináris Kutatási és Asztrofizikai Kutatóközpontjának (CIERA) tagjai voltak.
Vizsgálataik érdekében a csoport szimulációkat készített a Blue Waters szuperszámítógép segítségével az Illinoisi Egyetemen. Az általuk elvégzett szimulációk voltak az elsők, amelyek modellezték a szupermasszív fekete lyukakból (SMBH) származó relativista fúvókák viselkedését. Közel egymilliárd számítási cellával ez volt a valaha elért akkreditáló fekete lyuk legmagasabb felbontású szimulációja.
Ahogyan Alexander Tchekhovskoy, a Northwestern Weinberg Művészeti és Tudományos Főiskola fizika és csillagászat asszisztens professzora egy nemrégiben megjelent Northwestern Now sajtóközleményében kifejtette:
„Annak megértése, hogy a forgó fekete lyukak hogyan húzzák körül a tér-időt körülöttük, és hogy ez a folyamat hogyan befolyásolja azt, amit látunk, a távcsöveken keresztül, továbbra is kritikus, nehezen feltörhető puzzle. Szerencsére az áttörések a kódfejlesztésben és a szuperszámítógép-architektúra ugrása egyre közelebb hoznak minket a válaszok megtalálásához. "
Akárcsak az összes szupermasszív fekete lyukhoz, a gyorsan forgó SMBH-k rendszeresen elnyelik az anyagot. Ugyanakkor a gyorsan forgó fekete lyukak is ismertek az energia kibocsátásának módjáról relativista fúvókák formájában. Az az anyag, amely ezeket a fekete lyukakat táplálja, forgó korongot képez körülöttük - más néven. akkumulációs tárcsa - meleg, feszült gáz- és mágneses mezővonalakkal.
Ezeknek a mezővonalaknak a jelenléte teszi lehetővé a fekete lyukak számára, hogy energiát szállítsanak ezen fúvókák formájában. Mivel ezek a fúvókák annyira nagyok, könnyebben tanulmányozhatók, mint maguk a fekete lyukak. Ennek során a csillagászok megértik, hogy milyen gyorsan változnak ezek a fúvókák iránya, ami felfedi a maguk a fekete lyukak forgását - például a forgó korongok tájolását és méretét.
Fejlett számítógépes szimulációkra van szükség a fekete lyukak tanulmányozásakor, főleg azért, mert ezek nem láthatóak meg a látható fényben, és általában nagyon távol vannak. Például a Földhöz legközelebb eső SMBH a Nyilas A *, amely körülbelül 26.000 fényévnyire van galaxisunk központjában. Mint ilyen, a szimulációk az egyetlen módja annak meghatározására, hogy egy rendkívül összetett rendszer, például egy fekete lyuk hogyan működik.
A korábbi szimulációk során a tudósok azzal a feltételezéssel működtek, hogy a fekete lyukú korongok igazodnak egymáshoz. A legtöbb SMBH-ban azonban úgy találták, hogy megdöntött korongok vannak - azaz a korongok külön tengely körül forognak, mint maga a fekete lyuk. Ez a tanulmány tehát magától értetődőnek bizonyult, mivel megmutatta, hogy a lemezek miként változtathatják meg irányukat a fekete lyukhoz képest, olyan előfúvókákhoz vezetve, amelyek időszakosan megváltoztatják az irányukat.
Ez korábban nem volt ismert, mert a hihetetlenül nagy számítási teljesítmény szükséges a gyorsan forgó fekete lyukot körülvevő régió 3D-s szimulációinak elkészítéséhez. A Nemzeti Tudományos Alapítvány (NSF) támogatásával a csapat ezt a világ egyik legnagyobb szuperszámítógépének, a Blue Watersnek a segítségével tudta elérni.
A rendelkezésükre álló szuperszámítógéppel a csapat elkészítette az első fekete lyuk szimulációs kódot, amelyet grafikus feldolgozó egységek (GPU) segítségével gyorsított fel. Ennek a kombinációnak köszönhetően a csapat képes volt olyan szimulációkat végrehajtani, amelyek a legmagasabb felbontási szinttel rendelkeztek valaha - azaz közel egymilliárd számítási cellának. Amint Tchekhovskoy kifejtette:
„A nagy felbontás lehetővé tette számunkra, hogy először biztosítsuk a kis méretű turbulens tárcsamozgások pontos rögzítését modelleinkben. Meglepetésünkre, hogy ezek a mozgások olyan erősnek bizonyultak, hogy a lemez hizlalását és a lemez precessziójának leállását okozta. Ez azt sugallja, hogy a precesszió sorozatban történhet. ”
A relativista fúvókák precessziója megmagyarázhatja, hogy miért figyeltek meg a múltban a fekete lyukak környékén bekövetkező fénygörbéket - amelyeket kvaziszperciális rezgéseknek (QPO-k) neveznek. Ezek a gerendák, amelyeket először Michiel van der Klis (a tanulmány egyik társszerzője) fedezte fel, ugyanúgy működnek, mint a kvazár gerendái, amelyek látszólag simogató hatásúak.
Ez a tanulmány egy a sok körül, amelyet a világ minden táján forgó fekete lyukakon végeznek, amelynek célja az, hogy jobban megértsük a közelmúltbeli felfedezéseket, mint például a gravitációs hullámok, amelyeket a fekete lyukak összeolvadása okoz. Ezeket a vizsgálatokat az Event Horizon Telescope megfigyeléseire is alkalmazzák, amelyek a Nyilas A * árnyékának első képeit rögzítették. Amit feltárnak, az biztos, hogy izgat és meghökkent, és potenciálisan elmélyíti a fekete lyukak rejtélyét.
Az elmúlt században a fekete lyukak vizsgálata jelentősen előrehaladt - a tisztán elméleti, a környező anyagokra gyakorolt hatások közvetett tanulmányáig, a maguk a gravitációs hullámok vizsgálatáig. Lehet, hogy egy nap valóban közvetlenül megvizsgálhatjuk őket, vagy (ha nem túl sokat remélünk) közvetlenül a bennük lévő társaikat!
