Проведя детальное моделирование формирования сверхмассивной черной дыры, ученые обнаружили, что магнитные поля играют гораздо более важную роль, чем считалось ранее

Проведя детальное моделирование образования сверхмассивных черных дыр, ученые обнаружили, что магнитные поля играют гораздо более важную роль, чем считалось ранее. Хотя аккреционный диск считается относительно плоским, под воздействием магнитных полей он становится более округлым и неровным.

Когда материя притягивается гравитационным притяжением черной дыры, она не поглощается немедленно. Вместо этого она сначала гравитационно вращается вокруг черной дыры, образуя аккреционный диск. Диск излучает интенсивное излучение, что также позволяет получить изображение черной дыры (первое непрямое изображение было получено в 2019 году). Однако то, как формируются и ведут себя эти материальные диски, до сих пор до конца не изучено.

Пробелы в масштабах моделирования

Для более глубокого анализа сложных космических процессов физики часто используют компьютерное моделирование. Этот тип моделирования обычно основан на параметрических данных, определяющих среду этих объектов, таких как уравнения гравитационных процессов и молекулярные взаимодействия в окружающем материале.

Например, если облако газа становится достаточно плотным под действием гравитационного коллапса, расчеты могут позволить сделать вывод о формировании звезд. Однако астрофизик-теоретик Филип Хопкинс объясняет в блоге Калифорнийского технологического института: «Если вы просто думаете, что гравитация притягивает все, а затем накопленный газ образует звезды, а затем звезды продолжают накапливаться, вы совершенно ошибаетесь).

Существует множество процессов, влияющих на звездную среду. Например, звезды могут испускать потоки радиации, которые «сдувают» окружающий газ и вещество, изменяя тем самым их химический состав. Вычислительные системы должны учитывать эти процессы при регулировании количества звезд, образующихся в галактике.

С другой стороны, когда речь идет о более крупных масштабах, физические параметры, которые необходимо учитывать, другие. Например, поведение атомов и молекул чрезвычайно важно для галактик. С другой стороны, для аккреционных дисков молекулярная химия может быть включена в моделирование в меньшей степени (или даже проигнорирована), поскольку окружающая среда слишком горячая для существования атомов и молекул. Следовательно, аккреционный диск состоит в основном из ионизированной плазмы.

Однако для моделирования всех физических процессов, происходящих в аккреционном диске черной дыры, необходимо учитывать все масштабы.

Обратите внимание: Японские ученые осваивают технологии создания детей из клеток кожи.

Однако «в некоторых кодах есть физика, необходимая для решения мелкомасштабной части проблемы, а в других кодах есть физика, необходимая для решения крупномасштабной части проблемы, но невозможно сделать и то, и другое одновременно». ", - сказал Хопкинс.

Чтобы заполнить эти пробелы, Хопкинс и его коллеги впервые задумали и разработали новый тип моделирования, сочетающий в себе оба масштаба. Проект является результатом сотрудничества программы моделирования Feedback from Real Environments (FIRE), которая фокусируется на крупных космических масштабах (например, галактических столкновениях), и STARFORGE, которая фокусируется на меньших масштабах (например, отдельных звезд). Результаты подробно описаны в Astrophysical Journal.

Выпуклые аккреционные диски

Для проведения моделирования команда Калифорнийского технологического института использовала метод под названием «супермасштабирование», используя в качестве целей сверхмассивные черные дыры. В частности, они разработали компьютерную программу под названием GIZMO, которая адаптировала программу FIRE, чтобы сделать ее совместимой со STARFORGE и наоборот. «Мы разработали его по модульному принципу, поэтому вы можете включать и выключать любой физический элемент для решения конкретной проблемы, но при этом быть уверенным, что они совместимы друг с другом», — объясняет Хопкинс. Полученное разрешение в 1000 раз превышает предыдущий рекорд для данного типа объектного моделирования.

Техника Хопкинса использовалась для моделирования аккреционного диска сверхмассивной черной дыры, масса которой примерно в 10 миллионов раз превышала массу Солнца в ранней Вселенной. Моделирование показывает, как материал вытекает из облака протозвезды и начинает вращаться вокруг черной дыры. Этот алгоритм позволяет нам детально наблюдать каждый этап пути газа к краю черной дыры.

Команда была удивлена, обнаружив, что магнитные поля играют гораздо более важную роль в формировании аккреционных дисков, чем считалось ранее. Первоначально физики предполагали, что тепловое давление (изменения давления, вызванные изменениями температуры газа в аккреционном диске) предотвратит коллапс диска под действием гравитации черной дыры, в то время как влияние магнитных полей будет незначительным. Это придаст аккреционному диску сплюснутый вид.

Однако новые модели предполагают, что магнитное поле оказывает давление в 10 000 раз большее, чем тепловое давление, заставляя диск расширяться. «Наша теория говорит нам, что диск должен быть плоским, как блин», — объясняет Хопкинс. «Но мы знаем, что это не так, потому что астрономические наблюдения показывают, что эти диски на самом деле выпуклые, мягкие и больше похожи на торт".

Эти результаты могут иметь важное значение для прогнозирования их массы, плотности, толщины, скорости движения материала через них и даже их геометрии. Команда утверждает, что программа GIZMO также открывает путь к другим симуляциям, в которых отсутствуют различия в масштабах, таким как слияние галактик или образование первых звезд во Вселенной.

Видео-демонстрация исследования:

Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.

Источник статьи: Проведя детальное моделирование формирования сверхмассивной черной дыры, ученые обнаружили, что магнитные поля играют гораздо более важную роль, чем считалось ранее.