Czarne dziury są bardziej przerażające, niż nam się wydawało. Wytłumaczył to superkomputer
Przez dziesięciolecia naukowcy wierzyli, że supermasywne czarne dziury znajdujące się w centrach galaktyk zasilają się powoli przez setki do setek tysięcy lat. Jednak nowe badanie, oparte na symulacjach 3D w wysokiej rozdzielczości, rysuje inny, znacznie bardziej złowieszczy obraz czarnych dziur. Rozrywają i pożerają czasoprzestrzeń szybciej niż zakładano.
Nowe badanie prowadzone pod kierunkiem Northwestern University zmienia sposób, w jaki astrofizycy rozumieją nawyki żywieniowe supermasywnych czarnych dziur. Podczas gdy wcześniej badacze stawiali hipotezę, że czarne dziury jedzą powoli, nowe symulacje wskazują, że czarne dziury pochłaniają otoczenie znacznie szybciej, niż sugeruje nasza wcześniejsza wiedza. Wyniki badań opublikowano w The Astrophysical Journal.
Według nowych symulacji 3D o wysokiej rozdzielczości wirujące czarne dziury "zakręcają" otaczającą czasoprzestrzeń, ostatecznie rozrywając gwałtownie wir gazu (lub dysk akrecyjny), który je otacza i zasila. Powoduje to rozbicie dysku na dyski wewnętrzne i zewnętrzne. Czarne dziury najpierw pożerają pierścień wewnętrzny. Następnie resztki zewnętrznego dysku przedostają się do wewnątrz, wypełniając lukę pozostawioną przez całkowicie zużyty pierścień wewnętrzny, a proces jedzenia się powtarza.
Symulacja wskazuje, że cały proces jedzenia, uzupełniania i ponownego pożerania materii zajmuje tylko kilka miesięcy. To szokująco krótki okres czasu w porównaniu z setkami lat, które sugerowali wcześniej naukowcy. To nowe odkrycie może pomóc w wyjaśnieniu dramatycznego zachowania niektórych z najjaśniejszych obiektów na nocnym niebie, w tym kwazarów, które nagle wybuchają, a następnie znikają bez wyjaśnienia.
Klasyczna teoria dysku akrecyjnego przewiduje, że dysk ewoluuje powoli. Jednak niektóre kwazary - powstałe w wyniku zjadania gazu przez czarne dziury ze swoich dysków akrecyjnych - wydają się drastycznie zmieniać w skali czasu od miesięcy do lat. Wygląda na to, że wewnętrzna część dysku - skąd pochodzi większość światła - zostaje zniszczona, a następnie uzupełniona. Klasyczna teoria dysku akrecyjnego nie jest w stanie wyjaśnić tej gwałtownej zmiany. Ale zjawiska, które widzimy w naszych symulacjach, potencjalnie mogą to wyjaśnić
- powiedział Nick Kaaz z Northwestern , który kierował badaniami.
Więcej o czarnych dziurach przeczytasz na Spider`s Web:
- Czarna dziura wywołała największą eksplozję we wszechświecie. Naukowcy są zszokowani
- Czarna dziura miała przemierzać wszechświat ciągnąc gwiazdy. Teraz pojawiło się nowe wyjaśnienie
- Czarna dziura ostra dzięki sztucznej inteligencji. Jest piękna jak nigdy
- Co tam czarne dziury. Białe dziury - to ich powinniśmy szukać
Błędne założenia
Dyski akrecyjne otaczające czarne dziury to obiekty skomplikowane fizycznie, przez co niezwykle trudne do modelowania. Konwencjonalna teoria miała trudności z wyjaśnieniem, dlaczego dyski te świecą tak jasno, a następnie nagle przygasają, czasami aż do całkowitego zniknięcia.
Wcześniej badacze błędnie zakładali, że dyski akrecyjne są stosunkowo uporządkowane. W tych modelach gaz i cząstki wirują wokół czarnej dziury – w tej samej płaszczyźnie co czarna dziura i w tym samym kierunku obrotu czarnej dziury. Następnie, w skali czasu od setek do setek tysięcy lat, cząsteczki gazu stopniowo wpadają spiralnie do czarnej dziury, aby ją zasilić.
Nowe symulacje wskazują, że obszary otaczające czarną dziurę są miejscami znacznie bardziej zanieczyszczonymi i burzliwymi, niż wcześniej sądzono.
Bardziej jak żyroskop, mniej jak talerz
Korzystając z Summit, jednego z największych superkomputerów na świecie, zlokalizowanego w Oak Ridge National Laboratory, naukowcy przeprowadzili trójwymiarową symulację ogólnej relatywistycznej magnetohydrodynamiki (GRMHD) cienkiego, nachylonego dysku akrecyjnego. Model opracowany przez badczy z Northwestern uwzględnia dynamikę gazu, pola magnetyczne i ogólną teorię względności, aby uzyskać pełniejszy obraz. Taką symulację zobaczysz na wideo niżej.
Czarne dziury to obiekty skrajnie relatywistyczne, które wpływają na otaczającą je czasoprzestrzeń. Tak więc, kiedy się obracają, ciągną przestrzeń wokół siebie jak gigantyczną karuzelę i zmuszają ją również do obrotu. Tworzy to naprawdę silny efekt w pobliżu czarnej dziury, który staje się coraz słabszy w dalszej odległości
- powiedział Kaaz.
Ten efekt powoduje, że cały dysk kręci się w kółko, podobnie jak precesja żyroskopu. Precesja to zjawisko zmiany kierunku osi obrotu obracającego się ciała. Ale dysk wewnętrzny chce się chybotać znacznie szybciej niż części zewnętrzne. To niedopasowanie sił powoduje wypaczenie całego dysku, powodując zderzenie gazu z różnych części dysku. Zderzenia powodują jasne wstrząsy, które gwałtownie przesuwają materię coraz bliżej czarnej dziury.
W miarę jak wypaczenie staje się coraz poważniejsze, najbardziej wewnętrzny obszar dysku akrecyjnego w dalszym ciągu kołysze się coraz szybciej, aż oddzieli się od reszty dysku. Następnie, zgodnie z nowymi symulacjami, dyski zaczynają ewoluować niezależnie od siebie. Zamiast płynnie poruszać się razem jak płaska płyta otaczająca czarną dziurę, dyski niezależnie kołyszą się z różnymi prędkościami i kątami, niczym koła w żyroskopie. Kiedy dysk wewnętrzny zostanie oderwany, nastąpi niezależna precesja. Precesja przebiega szybciej, ponieważ znajduje się bliżej czarnej dziury.
Gdzie wygrywa czarna dziura
Według nowej symulacji obszar rozdzierania - w którym rozłączają się dyski wewnętrzne i zewnętrzne - to miejsce, w którym naprawdę zaczyna się szał karmienia. Podczas gdy tarcie stara się utrzymać dysk w całości, zakrzywienie czasoprzestrzeni przez wirującą czarną dziurę chce go rozerwać.
Istnieje konkurencja pomiędzy rotacją czarnej dziury a tarciem i ciśnieniem wewnątrz dysku. Rejon rozdzierania to miejsce, w którym wygrywa czarna dziura. Dysk wewnętrzny i zewnętrzny zderzają się ze sobą. Dysk zewnętrzny odcina warstwy dysku wewnętrznego, wpychając go do środka
- wyjaśnia Kaaz.
Teraz dyski przecinają się pod różnymi kątami. Dysk zewnętrzny wylewa materiał na dysk wewnętrzny. Ta dodatkowa masa popycha również dysk wewnętrzny w stronę czarnej dziury, gdzie zostaje pochłonięty. Następnie własna grawitacja czarnej dziury przyciąga gaz z obszaru zewnętrznego w kierunku obecnie pustego obszaru wewnętrznego, aby go ponownie wypełnić.
Połączenie kwazara
Kaaz powiedział, że te szybkie cykle jedzenia, uzupełniania i jedzenia potencjalnie wyjaśniają tak zwane kwazary o „zmiennym wyglądzie”. Kwazary to niezwykle jasne obiekty, które emitują 1000 razy więcej energii niż 200–400 miliardów gwiazd całej Drogi Mlecznej. Kwazary o zmiennym wyglądzie są jeszcze bardziej ekstremalne. Wydaje się, że włączają się i wyłączają w ciągu miesięcy.
Chociaż teoria klasyczna przyjęła założenia dotyczące tego, jak szybko dyski akrecyjne ewoluują i zmieniają jasność, obserwacje kwazarów o zmiennym wyglądzie wskazują, że w rzeczywistości ewoluują one znacznie, znacznie szybciej.
Okazuje się, że wewnętrzny obszar dysku akrecyjnego, skąd pochodzi większość jasności, może całkowicie zniknąć bardzo szybko w ciągu kilku miesięcy. System przestaje być jasny. Następnie ponownie się rozjaśnia i proces się powtarza. Konwencjonalna teoria nie potrafi w żaden sposób wyjaśnić, dlaczego dysk w ogóle znika, ani w jaki sposób tak szybko się uzupełnia. Nasza wyjaśnia to doskonale
– powiedział Kaaz.
Ilustracja główna: Symulacja otoczenia czarnej dziury wykonana przez Summit, jednen z największych superkomputerów na świecie.
