модель черной дыры
Новое исследование, проведенное Северо-Западным университетом (Northwestern University), меняет представление астрофизиков об аппетите сверхмассивных черных дыр.
В то время как предыдущие исследователи предполагали, что черные дыры питаются медленно, новые модели показывают, что черные дыры поглощают свою пищу гораздо быстрее, чем предполагает общепринятое понимание.
Исследование было опубликовано в среду (20 сентября) в The Astrophysical Journal.
Согласно новому 3D-моделированию с высоким разрешением, вращающиеся черные дыры искажают окружающее пространство-время, в конечном итоге разрывая водоворот газа (или аккреционный диск), который их окружает и питает. Это приводит к разрыву диска на внутренний и внешний субдиски. Черные дыры сначала пожирают внутреннее кольцо. Затем обломки внешнего субдиска переливаются внутрь, чтобы заполнить пробел, оставленный полностью израсходованным внутренним кольцом, и процесс пожирания повторяется.
Один цикл бесконечно повторяющегося процесса «съесть-пополнить-съесть» занимает всего несколько месяцев — шокирующе быстрый срок по сравнению с сотнями лет, которые ранее предполагали исследователи.
Это новое открытие может помочь объяснить драматическое поведение некоторых самых ярких объектов ночного неба, включая квазары, которые внезапно вспыхивают, а затем исчезают без объяснения причин.
«Классическая теория аккреционного диска предсказывает, что диск эволюционирует медленно», — сказал Ник Кааз из Northwestern, возглавлявший исследование. «Но некоторые квазары, возникающие в результате того, что черные дыры поедают газ из своих аккреционных дисков, по-видимому, радикально изменяются с течением времени. Похоже, что внутренняя часть диска, откуда исходит большая часть света, разрушается, а затем восполняется. Классическая теория аккреционного диска не может объяснить такое резкое изменение. Но явления, которые мы наблюдаем в наших симуляциях, потенциально могут объяснить это. Быстрое прояснение и затемнение соответствуют разрушению внутренних областей диска».
Аккреционные диски, окружающие черные дыры, являются физически сложными объектами, поэтому их невероятно сложно моделировать. Традиционная теория изо всех сил пытается объяснить, почему эти диски светятся так ярко, а затем внезапно тускнеют — иногда вплоть до полного исчезновения.
Предыдущие исследователи ошибочно предполагали, что аккреционные диски относительно упорядочены. В этих моделях газ и частицы кружатся вокруг черной дыры — в той же плоскости, что и черная дыра, и в том же направлении вращения черной дыры. Затем, в течение сотен или сотен тысяч лет, частицы газа постепенно проникают в черную дыру и питают ее.
На протяжении десятилетий люди делали очень серьезное предположение, что аккреционные диски соответствуют вращению черной дыры. Но газ, который питает эти черные дыры, не обязательно знает, в какую сторону вращается черная дыра, так почему же они автоматически выравниваются?
Моделирование аккреционных дисков с самым высоким разрешением на сегодняшний день показывает, что регионы, окружающие черную дыру, являются гораздо более запутанными и турбулентными местами, чем считалось ранее.
Используя Summit, один из крупнейших в мире суперкомпьютеров, расположенный в Национальной лаборатории Ок-Ридж, исследователи выполнили трехмерное моделирование тонкого наклонного аккреционного диска с помощью общей релятивистской магнитогидродинамики (GRMHD). Хотя предыдущие симуляции не были достаточно мощными, чтобы включить всю физику, необходимую для построения реалистичной черной дыры, модель, разработанная Northwestern, включает в себя газовую динамику, магнитные поля и общую теорию относительности, чтобы собрать более полную картину.
Черные дыры — это экстремальные общерелятивистские объекты, которые влияют на пространство-время вокруг них. Поэтому, когда они вращаются, они тянут пространство вокруг себя, как гигантская карусель, и заставляют его тоже вращаться — явление, называемое «перетаскиванием кадра». Это создает действительно сильный эффект вблизи черной дыры, который становится все более слабым по мере удаления от нее.
«Перетаскивание кадра» заставляет весь диск раскачиваться по кругу, подобно прецессии гироскопа. Но внутренний диск хочет раскачиваться гораздо быстрее, чем внешние части. Это несоответствие сил приводит к деформации всего диска, в результате чего газ из разных частей диска сталкивается. Столкновения создают яркие толчки, которые яростно подталкивают материю все ближе и ближе к черной дыре.
По мере того, как деформация становится более серьезной, самая внутренняя область аккреционного диска продолжает раскачиваться все быстрее и быстрее, пока не оторвется от остальной части диска. Затем, согласно новому моделированию, субдиски начинают развиваться независимо.
Согласно новому моделированию, область разрыва — там, где внутренний и внешний субдиски разъединяются, — это то место, где действительно начинается безумие питания. В то время как трение пытается удержать диск вместе, скручивание пространства-времени вращающейся черной дырой стремится разорвать его на части.
Существует конкуренция между вращением черной дыры и трением и давлением внутри диска. В области разрыва черная дыра побеждает. Внутренний и внешний диски сталкиваются друг с другом. Внешний диск срезает слои внутреннего диска, толкая его внутрь.
Теперь субдиски пересекаются под разными углами. Внешний диск сбрасывает материю поверх внутреннего диска. Эта дополнительная масса также толкает внутренний диск к черной дыре, где он поглощается. Затем собственная гравитация черной дыры притягивает газ из внешней области к уже пустой внутренней области, чтобы пополнить ее.
Источник: The Astrophysical Journal
