Mustat aukot ovat yksi maailmankaikkeuden mahtavimmista ja salaperäisimmistä voimista. Alun perin Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian ennustamana nämä avaruusajan kohdat muodostuvat, kun massiiviset tähdet elävät lopussa gravitaation romahtaessa. Vuosikymmenien tutkimuksista ja havainnoista huolimatta emme tiedä vieläkään tästä ilmiöstä.
Esimerkiksi tutkijat ovat edelleen suurelta osin pimeässä siitä, kuinka aine, joka putoaa kiertoradalle mustan aukon ympärille ja syötetään vähitellen sille (akryytinlevyt), käyttäytyy. Äskettäisen tutkimuksen ansiosta, jossa kansainvälinen tutkijaryhmä toteutti yksityiskohtaisimmat mustan aukon simulaatiot tähän päivään mennessä, joukko teoreettisia ennusteita, jotka koskevat pistolevyjä, on lopulta vahvistettu.
Ryhmä koostui laskennallisista astrofysiikan ammattilaisista Amsterdamin yliopiston Anton Pannekoekin tähtitieteellisestä instituutista, Northwestern Universityn Astrofysiikan monitieteisen tutkimuksen ja tutkimuksen keskuksesta (CIERA) ja Oxfordin yliopistosta. Heidän tutkimustuloksensa ilmestyivät Kuukausittaiset ilmoitukset Royal Astronomical Society -tapahtumasta.
Havaintojensa joukosta ryhmä vahvisti James Bardeenin ja Jacobus Pettersonin vuonna 1975 alun perin esittämän teorian, joka on tullut tunnetuksi nimellä Bardeen-Petterson Effect. Tämän teorian mukaisesti ryhmä havaitsi, että vaikka lisäyslevyn ulkoalue pysyy kallistettuna, levyn sisäalue on linjassa sen mustan aukon päiväntasaajan kanssa.
Yksinkertaisesti sanottuna, melkein kaiken, mitä tutkijat tietävät mustista reikistä, on opittu tutkimalla lisääntymislevyjä. Ilman näitä kirkkaita kaasu- ja pölyrenkaita on epätodennäköistä, että tutkijat löytäisivät mustia reikiä. Lisäksi mustan aukon kasvu ja pyörimisnopeus ovat riippuvaisia sen lisääntymislevystä, mikä tekee niistä tutkimisesta välttämättömiä mustien reikien evoluution ja käyttäytymisen ymmärtämiseksi.
Kuten Alexander Tchekhovskoy, an
Siitä lähtien, kun Bardeen ja Petterson ehdottivat teoriaansa, mustien aukkojen simulaatioissa on kärsinyt monista asioista, jotka ovat estäneet niitä määrittämästä tapahtuuko tämä suuntaus. Ensinnäkin, kun lisäyslevyt lähestyvät Tapahtumahorisonttia, ne kiihtyvät valtavaan nopeuteen ja liikkuvat avaruusajan vääntyneiden alueiden läpi.
Toinen asia, joka monimutkaistaa asioita entisestään, on se, että mustan aukon kierto pakottaa avaruus-ajan pyörittämään sitä. Molemmat kysymykset vaativat, että astrofysiikit vastaavat yleisen suhteellisuustekijän vaikutuksista, mutta magneettisen turbulenssin kysymys on edelleen. Tämä turbulenssi saa levyn hiukkaset pitämään yhdessä ympyränmuotoisena ja
Tähän asti astrofysiikilla ei ole ollut laskentatehoa tämän kaiken huomioon ottamiseksi. Kehittääkseen vankan koodin, joka pystyy suorittamaan simulaatioita, jotka ottivat huomioon GR: n ja magneettisen turbulenssin, ryhmä kehitti koodin, joka perustuu graafisiin prosessointiyksiköihin (GPU). Verrattuna tavanomaisiin keskusyksiköihin (GPU), GPU: t ovat paljon tehokkaampia kuvankäsittely- ja laskenta-algoritmeissa, jotka käsittelevät suuria tietoryhmiä.
Ryhmä sisällytti myös menetelmän, jota kutsutaan mukautuvaksi verkon hienosäätöksi, joka säästää energiaa keskittymällä vain tiettyihin lohkoihin, joissa liikettä tapahtuu, ja mukautuu sen mukaan. Erojen havainnollistamiseksi Tchekhovskoy vertasi GPU: ta ja
Oletetaan, että sinun on muutettava uuteen asuntoon. Sinun on tehtävä paljon matkoja tällä tehokkaalla Ferrarilla, koska se ei sovi moniin laatikoihin. Mutta jos pystyisit laittamaan yhden laatikon jokaiselle hevoselle, voit siirtää kaiken yhdellä kertaa. Se on GPU. Siinä on paljon elementtejä, joista jokainen on hitaampi kuin prosessorissa, mutta niitä on niin paljon. "
Viimeisenä, mutta ei vähäisimpänä, joukkue ajoi simulaationsa käyttämällä Blue Waters -supertietokoneita Illinoisin yliopiston Urbana-Champaignissa sijaitsevassa Kansallisessa supertietokonesovellusten kansallisessa keskuksessa (NCSA). He löysivät, että vaikka levyn ulkopinta voidaan laatoittaa, sisäalue on yhdenmukaistettu mustan aukon päiväntasaajan kanssa ja sileä loimi yhdistää ne.
Sen lisäksi, että tämä tutkimus kattaa pitkäaikaisen keskustelun mustista reikistä ja niiden lisääntymislevyistä, se osoittaa myös, että astrofysiikka on edennyt pitkälle Bardeenin ja Pettersonin ajoista lähtien. Tutkija Matthew Liska teki yhteenvedon:
”Nämä simulaatiot eivät vain ratkaise 40 vuotta vanhaa ongelmaa, vaan ne ovat osoittaneet, että päinvastoin kuin tyypillinen ajattelu, on mahdollista simuloida kaikkein valoisimmat lisäyslevyt täysin yleisessä suhteellisuudessa. Tämä valmistaa tietä seuraavan sukupolven simulaatioille, jotka toivottavasti ratkaisevat entistä tärkeämpiä ongelmia, jotka liittyvät valaiseviin lisäyslevyihin. ”
Ryhmä ratkaisi Bardeen-Petterson-ilmiön pitkäaikaisen mysteerin ohentamalla lisäyslevyn ennennäkemättömään määrään ja ottamalla huomioon magnetoituneessa turbulenssissa, joka aiheuttaa levyn akrytoitumisen. Aikaisemmat simulaatiot tekivät huomattavan yksinkertaistamisen vain lähentämällä turbulenssin vaikutuksia.
Lisäksi aikaisemmat simulaatiot toimivat ohennettujen levyjen kanssa, joiden vähimmäiskorkeuden ja säteen välinen suhde oli 0,05, kun taas Tšekhovskoyn ja hänen kollegoidensa mielenkiintoisimmat vaikutukset tapahtuivat, kun levy ohennettiin 0,03: een. Yllätyksekseen joukkue havaitsi, että jopa uskomattoman ohuilla lisäyslevyillä musta aukko emittoi silti hiukkasten suihkuja ja säteilyä valon nopeudella (alias. Relativistiset suihkut).
Kuten Tchekhovskoy selitti, tämä oli melko odottamaton löytö:
"Kukaan ei odottanut, että nämä levyt tuottavat suihkuja niin pienillä paksuuksilla. Ihmiset odottivat, että näitä suihkukoneita tuottavat magneettikentät vain repeytyvät näiden todella ohutjen levyjen läpi. Mutta siellä he ovat. Ja se todella auttaa meitä ratkaisemaan havainnolliset mysteerit. "
Kaikkien viimeisimpien astrofysiikkojen tekemien löytöjen perusteella, jotka koskevat mustia aukkoja ja niiden kiinnityslevyjä, saatat sanoa, että elämme toisessa ”relatiivisuuden kultakaudella”. Ja ei olisi liioittelua sanoa, että kaiken tämän tutkimuksen tieteelliset voitot voisivat olla valtavia. Ymmärtämällä, miten aine käyttäytyy äärimmäisissä olosuhteissa, tulemme yhä lähemmäksi oppimista siitä, kuinka maailmankaikkeuden perusvoimat sopivat yhteen.
