Аномально быстрое изменение яркости некоторых квазаров долгое время не давало покоя ученым. Существующие модели не могли объяснить такое непостоянство мощнейших источников излучения во Вселенной. Чтобы разобраться в этом парадоксе, американские астрофизики смоделировали «пищевое поведение» сверхмассивных черных дыр с беспрецедентной детализацией.
Последний раз представление о внешнем виде черных дыр с аккреционным диском изменилось, когда вышел фильм «Интерстеллар». При разработке его спецэффектов очень много внимания уделялось реалистичности, поэтому для симуляции черной дыры использовалась максимально подробная физическая модель. Благодаря большому бюджету и кропотливой работе ученых-консультантов, визуализация впервые получилась близкой к реальности. На иллюстрации — кадр из симуляции, которая легла в основу графики для фильма «Интерстеллар» / ©Classical and Quantum Gravity, DOI:10.1088/0264-9381/32/6/065001
Классическое представление аккреционного диска черной дыры знакомо каждому любителю астрономии. Визуализация в стиле «Интерстеллара» несколько модифицировала этот образ, но принципиально ничего не изменилось.
Есть очень много вещества, оно собирается в сравнительно тонкий диск и медленно падает на черную дыру. Чем ближе к горизонту событий — тем выше скорость движения материи, чаще столкновения и другие взаимодействия, выше температура. Следовательно, излучение интенсивнее.
Особенно крупные черные дыры способны собрать так много вещества, что внутренние регионы аккреционного диска сияют тысячекратно ярче всех звезд в окружающей галактике, вместе взятых. Однако даже наиболее яркие и массивные объекты описываются моделями, в которых протекающие в аккреционном диске процессы развиваются медленно. Находящаяся на грани небытия материя совершает множество оборотов вокруг черной дыры, прежде чем пропадет окончательно.
Большинство существующих моделей черной дыры не допускают каких-либо скоротечных событий. Астрономические наблюдения в целом такую картину мира подтверждают. Но есть исключения.
Часть квазаров — экстремально ярких активных центров галактик — ведет себя не совсем так. Некоторые из них радикально меняют свою яркость за считаные месяцы или даже недели, чего не должно происходить. Не может же вся внутренняя часть аккреционного диска внезапно исчезнуть?
Астрофизики из Северо-Западного университета (NU), США, нашли объяснение подобным явлениям. Для этого им потребовалось объединить в единый комплекс сразу несколько моделей. В результате одновременно учитывали эффекты Общей теории относительности, газодинамики и магнитной гидродинамики. Чтобы обсчитать такую модель с беспрецедентным разрешением, применили суперкомпьютер Summit (пятая строчка в TOP500).
Помимо высокой детализации своей симуляции, американские исследователи добавили в нее еще одно новшество. Дело в том, что ранее моделирование аккреционных дисков предполагало их сонаправленное вращение с черной дырой. В новой симуляции ось и направление вращения черной дыры не совпадают с осью и направлением вращения аккреционного диска. Ведь падающая материя не обязана знать, куда крутится притягивающий ее сверхмассивный объект.
Результатом стали удивительные эффекты. Внутренняя часть аккреционного диска разбилась на несколько меньших колец, прецессирующих и разрываемых на части ударными волнами. Из-за этого скорость поглощения вещества черной дырой возросла в разы. Тот объем, который она должна была «съесть» за столетия, пропадал всего за несколько месяцев.
И внутренняя, самая яркая, часть аккреционного диска быстро исчезала. Освободившееся место занимала материя, вращающаяся дальше, — и процесс повторялся. Очень похоже на нерегулярную яркость некоторых квазаров.
Исследование американских астрофизиков наглядно показало, какую большую роль в современной науке играет доступность огромных вычислительных мощностей. Широко используемые учеными модели черных дыр, которые не могли показать такое их поведение, — неплохие. Они недостаточно детализированы, чтобы описать любые примеры, кроме наиболее простых и распространенных. И дабы объединить несколько таких моделей в полную картину, требуются наиболее производительные суперкомпьютеры в мире.
Новая симуляция не использовала никаких радикально новых данных или моделей. Разрыв внутренних частей аккреционного диска объясняется давно известным эффектом Лензе — Тирринга: сверхмассивные черные, дыры вращаясь, увлекают за собой пространство-время вокруг — это называется увлечением инерциальных систем отсчета (frame-dragging).
Когда вращающаяся вокруг черной дыры материя встречает на своем пути такие возмущения пространства-времени, они передают ей дополнительную энергию. Из-за этого вещество меняет свою траекторию и формирует субдиски, прецессирующие как волчки.
Как только их напряжение достигает определенного предела, материя сбивается в более плотные сгустки, еще быстрее падающие на черную дыру. Дополняют картину столкновения внутреннего и внешнего субдисков: их образуется несколько, прецессируют они с разной скоростью и разрываются тоже не одновременно. Это еще раз ускоряет падение материи на черную дыру.
Научная работа с описанием моделирования и результатами его анализа опубликована в рецензируемом журнале The Astrophysical Journal. Ее значение еще предстоит оценить. Но потенциально труд специалистов из Северо-Западного университета способен здорово скорректировать общее понимание скорости эволюции черных дыр во Вселенной.
Если они способны «кушать» гораздо быстрее, чем ранее считалось, то и галактики со сверхмассивными черными дырами в центре могли появиться раньше.
Комментарии
О нет! Зачем же они его увеличили? Ведь это опасно, как же так? Оу май гярбл, нам конец
Потому что могут (c)
А как может появиться внешний диск, настолько несоосный ЧД? Как-то интуитивно непонятно.
Ну, в симуляции они взяли экстремальные параметры, чтобы эффекты нагляднее были. Учитывая скорости вращения и гравитационный потенциал сверхмассивных черных дыр, там десятка градусов уже хватит, чтобы похожая картина начала развиваться. Может и меньше.
А вообще, это норма. Солнце, например, вращается с наклоном в семь градусов от эклиптики (плоскости орбит всех планет, то есть, нашего протопланетного диска). А если квазар получился из-за слияния двух других массивных объектов со своей "свитой", там вообще что угодно по итогу получиться может)