Čierne diery sú jednou z najúžasnejších a najzáhadnejších síl vo vesmíre. Tieto body, ktoré boli pôvodne predpovedané Einsteinovou teóriou všeobecnej relativity, vznikajú, keď sa masívne hviezdy na konci svojho života dostanú do gravitačného zrútenia. Napriek desaťročiam štúdia a pozorovania o tomto fenoméne ešte stále veľa nevieme.
Napríklad vedci sú stále v značnej tme o tom, ako sa správa hmota, ktorá padá na obežnú dráhu okolo čiernej diery a ktorá sa na ňu postupne privádza (narastajúce disky). Vďaka nedávnej štúdii, kde medzinárodný tím vedcov uskutočňoval doteraz najpodrobnejšie simulácie čiernej diery, bolo konečne potvrdených množstvo teoretických predpovedí týkajúcich sa akrečných diskov.
Tím sa skladal z výpočtových astrofyzikov z Amsterdamského inštitútu Anton Pannekoek pre astronómiu, Centra pre interdisciplinárny výskum a výskum v astrofyzike v severozápadnej univerzite (CIERA) a Oxfordskej univerzity. Ich výskumné zistenia sa objavili v 5 Mesačné oznámenia Kráľovskej astronomickej spoločnosti.
Medzi ich zisteniami tím potvrdil teóriu pôvodne predloženú v roku 1975 Jamesom Bardeenom a Jacobusom Pettersonom, ktorý sa stal známym ako Bardeen-Pettersonov efekt. V súlade s touto teóriou tím zistil, že zatiaľ čo vonkajšia oblasť akrečného disku zostane naklonená, jeho vnútorná oblasť sa vyrovná rovníku jeho čiernej diery.
Zjednodušene povedané, takmer všetko, čo vedci vedia o čiernych dierach, sa naučilo štúdiom akréčných diskov. Bez týchto žiarivých krúžkov plynu a prachu je nepravdepodobné, že by vedci dokázali lokalizovať čierne diery. Rast čiernej diery a rýchlosť jej rotácie navyše závisia aj od jej narastajúceho disku, vďaka čomu je ich štúdium nevyhnutné na pochopenie vývoja a správania sa čiernych dier.
Ako Alexander Tchekhovskoy, an
Odkedy Bardeen a Petterson navrhli svoju teóriu, simulácie čiernych dier trpeli mnohými problémami, ktoré im bránili určiť, či sa toto zarovnanie uskutoční. Po prvé, keď sa akrečné disky priblížia k horizontu udalostí, zrýchlia sa na obrovské rýchlosti a pohybujú sa skrivenými regiónmi časopriestoru.
Druhým problémom, ktorý ešte viac komplikuje záležitosti, je skutočnosť, že rotácia čiernej diery núti priestorovo-časovú rotáciu okolo nej. Obidva tieto problémy vyžadujú, aby astrofyzici zodpovedali za účinky všeobecnej relativity, ale naďalej pretrváva problém magnetických turbulencií. Táto turbulencia spôsobuje, že častice disku držia pohromade v kruhovom tvare a
Až doteraz astrofyzici nemali výpočtovú silu, ktorá by to všetko zodpovedala. Na vývoj robustného kódu schopného vykonávať simulácie, ktoré boli zodpovedné za GR a magnetické turbulencie, tím vyvinul kód založený na jednotkách grafického spracovania (GPU). V porovnaní s bežnými jednotkami centrálneho spracovania (CPU) sú GPU oveľa efektívnejšie pri algoritmoch spracovania obrazu a výpočtov, ktoré spracúvajú veľké množstvá údajov.
Tím tiež začlenil metódu nazývanú adaptívne zdokonalenie ôk, ktorá šetrí energiu sústredením sa iba na konkrétne bloky, v ktorých dochádza k pohybu, a podľa toho sa prispôsobuje. Na ilustráciu rozdielu porovnal Tchekhovskoy GPU a
„Povedzme, že sa musíte presťahovať do nového bytu. S týmto výkonným Ferrari budete musieť podniknúť veľa výletov, pretože sa zmestí do mnohých krabíc. Ak by ste na každého koňa dali jednu škatuľu, všetko by ste mohli pohnúť naraz. To je GPU. Má veľa prvkov, z ktorých každý je pomalší ako v CPU, ale je ich toľko. “
V neposlednom rade tím spustil simuláciu pomocou superpočítačov Blue Waters v Národnom stredisku pre superpočítačové aplikácie (NCSA) na University of Illinois v Urbana-Champaign. Zistili, že zatiaľ čo vonkajšia oblasť disku môže byť obložená, vnútorná oblasť bude zarovnaná s rovníkom čiernej diery a hladká osnova ich spojí.
Táto štúdia okrem toho, že uzavrela dlhotrvajúcu diskusiu o čiernych dierach a ich narastajúcich diskoch, ukazuje, že od Bardeena a Pettersona pokročili veľké astrofyziky. Ako Matthew Liska, vedecký pracovník zhrol:
„Tieto simulácie nielenže riešia 40-ročný problém, ale preukázali, že na rozdiel od typického myslenia je možné simulovať najsvetelnejšie narastajúce disky v celkovej všeobecnej relativite. To pripravuje pôdu pre ďalšiu generáciu simulácií, ktoré, dúfam, vyriešia ešte dôležitejšie problémy okolo svetelných akrečných diskov. “
Tím vyriešil dlhotrvajúce tajomstvo Bardeen-Pettersonovho efektu zredukovaním akréčneho disku na bezprecedentný stupeň a faktorizovaním magnetizovanej turbulencie, ktorá spôsobila jeho zhlukovanie. Predchádzajúce simulácie výrazne zjednodušili iba aproximáciu účinkov turbulencie.
A čo viac, predchádzajúce simulácie pracovali s riedenými diskami, ktoré mali minimálny pomer výšky k polomeru 0,05, zatiaľ čo najzaujímavejšie účinky, ktoré videli Tchekhovskoy a jeho kolegovia, nastali, keď bol disk rozriedený na 0,03. K ich prekvapeniu tím zistil, že aj pri neuveriteľne tenkých narastacích diskoch čierna diera stále emitovala trysky častíc a žiarenia pri časti rýchlosti svetla (aka. Relativistické trysky).
Ako vysvetlil Tchekhovskoy, išlo o dosť neočakávaný nález:
„Nikto neočakával, že sa tieto disky budú vyrábať v takej malej hrúbke. Ľudia očakávali, že magnetické polia, ktoré produkujú tieto prúdy, by len prešli cez tieto skutočne tenké disky. Ale sú tam. A to nám vlastne pomáha vyriešiť pozorovacie tajomstvá. “
So všetkými nedávnymi zisteniami, ktoré astrofyzici urobili v súvislosti s čiernymi dierami a ich narastajúcimi diskami, by ste mohli povedať, že žijeme v druhom „Zlatom veku relativity“. A nebolo by prehnané tvrdiť, že vedecké výhody celého tohto výskumu by mohli byť obrovské. Pochopením toho, ako sa hmota chová v najextrémnejších podmienkach, sa stále viac približujeme k tomu, ako sa navzájom spájajú základné sily vesmíru.
