Новое моделирование ставит под сомнение способ формирования и эволюции черных дыр

Проведя детальное моделирование формирования сверхмассивной черной дыры, ученые обнаружили, что магнитные поля играют гораздо более важную роль, чем считалось ранее. Хотя считалось, что аккреционный диск относительно плоский, влияние магнитного поля делает его более округлым и неровным. Когда вещество притягивается гравитационной силой черной дыры, оно не сразу поглощается, а сначала гравитирует вокруг черной дыры, образуя аккреционный […]

Проведя детальное моделирование формирования сверхмассивной черной дыры, ученые обнаружили, что магнитные поля играют гораздо более важную роль, чем считалось ранее. Хотя считалось, что аккреционный диск относительно плоский, влияние магнитного поля делает его более округлым и неровным.

Когда вещество притягивается гравитационной силой черной дыры, оно не сразу поглощается, а сначала гравитирует вокруг черной дыры, образуя аккреционный диск. Этот диск испускает интенсивное излучение, что также позволяет получать изображения черных дыр (первое косвенное изображение было получено в 2019 году). Однако то, как формируются и ведут себя эти диски материи, до сих пор не до конца понятно.

Пробелы в масштабах моделирования

Для глубокого анализа сложных космологических процессов физики обычно используют компьютерное моделирование. Этот тип моделирования обычно основывается на параметрических данных, определяющих окружение этих объектов, таких как уравнения гравитационных процессов и молекулярных взаимодействий в окружающей материи.

Например, если скопление газа становится достаточно плотным под действием гравитационного коллапса, то расчеты позволяют сделать вывод что формируется звезда. Однако «если вы просто думаете, что гравитация притягивает все, а затем скопившийся газ образует звезду и звезды накапливаются, то вы совершенно неправы«, — объясняет астрофизик-теоретик Филип Хопкинс в блоге Калифорнийского технологического института (Caltech).

Существует множество процессов, влияющих на звездную среду. Например, звезды могут испускать потоки излучения, которые «сдувают» окружающий газ и вещество, что может изменить их химический состав. Вычислительные системы должны учитывать эти процессы, поскольку они регулируют количество звезд, которые могут образоваться в галактике.

С другой стороны, физические параметры, которые необходимо учитывать, отличаются, когда речь идет о более крупных масштабах. Например, для галактик чрезвычайно важно поведение атомов и молекул. Для аккреционных дисков, с другой стороны, молекулярная химия может быть включена в моделирование в незначительной степени (или даже игнорироваться), поскольку окружающая среда слишком горячая для существования атомов и молекул. Поэтому аккреционные диски состоят в большей степени из ионизированной плазмы.

Однако чтобы смоделировать все физические процессы, происходящие в аккреционном диске черной дыры, необходимо учитывать все масштабы. Однако «одни коды содержали физику, необходимую для решения мелкомасштабной части проблемы, другие — физику, необходимую для решения крупномасштабной части, но не было способа сделать и то, и другое«, — говорит Хопкинс.

Чтобы заполнить эти пробелы, Хопкинс и его коллеги придумали и разработали новый тип моделирования, впервые сочетающий оба масштаба. Проект представляет собой сотрудничество между программой моделирования Feedback in Realistic Environments (FIRE), которая посвящена крупным космологическим масштабам (таким как галактические столкновения), и STARFORGE, которая посвящена более мелким масштабам (таким как отдельные звезды). Результаты исследования подробно описаны в журнале The Open Journal of Astrophysics.

Выпуклые аккреционные диски

Для проведения моделирования команда Калифорнийского технологического института использовала технику, известную как «суперзум», с использованием сверхмассивной черной дыры в качестве мишени. В частности, они разработали компьютерную программу под названием GIZMO, которая адаптирует программу FIRE таким образом, чтобы она была совместима с STARFORGE и наоборот. «Мы разработали ее по модульному принципу, чтобы можно было включать и выключать любой элемент физики для решения конкретной задачи, но при этом быть уверенными, что все они совместимы друг с другом«, — объясняет Хопкинс. Полученное разрешение в 1000 раз превышает предыдущий рекорд по моделированию объектов такого типа.

Методика Хопкинса была использована для моделирования аккреционного диска сверхмассивной черной дыры, масса которой примерно в 10 миллионов раз больше массы Солнца в ранней Вселенной. Моделирование показывает процесс, в котором поток материи вырывается из протозвездного облака и начинает закручиваться вокруг черной дыры. Алгоритм позволяет детально наблюдать каждый этап путешествия газа к краю черной дыры.

Команда с удивлением обнаружила, что магнитные поля играют гораздо более важную роль в формировании аккреционного диска, чем считалось ранее. Изначально физики предполагали, что тепловое давление (изменение давления, вызванное изменением температуры газа в аккреционном диске) не позволит ему разрушиться под действием гравитационной силы черной дыры, а влияние магнитного поля будет незначительным. Это придало бы аккреционному диску сплюснутый вид.

Однако новое моделирование показывает, что давление, оказываемое магнитным полем, в 10 000 раз превышает тепловое давление, что приводит к разбуханию диска. «Наши теории говорили нам, что диски должны быть плоскими, как блины«, — объясняет Хопкинс. «Но мы знали, что это не так, потому что астрономические наблюдения показали, что на самом деле диски выпуклые и «бархатистые», больше похожие на пирог«.

Эти результаты могут иметь важные последствия для предсказаний относительно их массы, плотности, толщины, скорости движения материи через них и даже их геометрии. Программа GIZMO также открывает путь к другим симуляциям, где не хватает различий в масштабах, например, слияния галактик или формирования первых звезд во Вселенной, считает команда.

Видеопрезентация исследования: