Группа астрофизиков Калтеха впервые сумела смоделировать путешествие космического газа, начиная со времени ранней Вселенной до того момента, когда оказывается втянутым в диск материала, питающего сверхмассивную черную дыру. Новое компьютерное моделирование переворачивает представления о таких дисках.
«Наша новая симуляция знаменует собой кульминацию нескольких лет работы», — говорит Фил Хопкинс, профессор теоретической астрофизики, один из авторов статьи, вышедшей в Open Journal of Astrophysics.
Моделирование показало, что в формировании и придании формы огромным дискам материала, которые вращаются вокруг сверхмассивных черных дыр и питают их, магнитные поля играют гораздо большую роль, чем считалось ранее.
«Наши теории говорили нам, что диски должны быть плоскими, как блины. Но астрономические наблюдения показывают, что диски у черных дыр на самом деле объемные, больше похожие на пончики. Наша симуляция помогла понять, что магнитные поля подпирают материал диска, делая его более пухлым», — говорит Хопкинс.
В новой симуляции исследователи выполнили то, что они называют «супер-зумом» крайне активной сверхмассивной черной дыры — квазара. Когда материал вот-вот упадет в такой объект, то излучает огромное количество энергии, сияя с блеском, не имеющим себе равных во Вселенной.
Чтобы визуализировать то, что происходит вокруг этих активных и далеких черных дыр, астрофизики обращаются к суперкомпьютерным симуляциям. В тысячи вычислительных процессоров, которые работают параллельно, загружают информацию о физике, действующей в заданных условиях — от основных уравнений, управляющих гравитацией до особенностей темной материи и звезд. Так, например, компьютеры знают, что как только газ становится достаточно плотным, образуется звезда. Звезды делают много вещей, которые влияют на их окружение: дают излучение, которое может нагревать или толкать окружающий газ; создают солнечный ветер; взрываются, иногда выбрасывая материал из галактик или изменяя химию окружающей среды.
В галактических масштабах чрезвычайно важны сложные детали поведения атомов и молекул и должны быть встроены в симуляцию. Однако когда симуляция фокусируется на области вокруг черной дыры, молекулярную химию можно в основном игнорировать, поскольку газ там слишком горячий для существования атомов и молекул. Вместо этого там горячая ионизированная плазма. Создание симуляции, которая могла бы охватывать все масштабы вплоть до конкретного аккреционного диска вокруг сверхмассивной черной дыры, было огромной вычислительной задачей, которая также требовала кода, способного обрабатывать всю физику.
«Мы построили его по модульному принципу, так что вы могли включать и выключать любые части физики, которые вам были нужны для решения конкретной задачи, но все они были совместимы друг с другом», — говорит Хопкинс.
Это позволило смоделировать жизнь черной дыры, которая примерно в 10 миллионов раз больше массы нашего Солнца, начиная с ранней Вселенной и заканчивая деталями аккреционного диска.
Новая способность преодолеть разрыв в масштабах для космологического моделирования откроет много новых направлений исследований. Например, что в деталях происходит при слиянии двух галактик? Какие типы звезд образуются в плотных областях галактик, где условия отличаются от условий в окрестностях нашего Солнца? Как могло выглядеть первое поколение звезд во Вселенной?
Падение в черную дыру: опубликована симуляция, основанная на новейших научных данных
С помощью нового закона физик доказывает: мир — огромная компьютерная симуляция
Цифровая симуляция Вселенной показала закономерности распределения галактик
Новая симуляция показывает, как зажигался свет во Вселенной — видео
