Как вместить дорогу длиной 13 миллиардов лет в одну доступную для человеческого понимания компьютерную модель? На этот вопрос может ответить команда физиков-теоретиков, построивших симуляцию, которая охватывает существование космического газа на протяжении всей истории Вселенной, вплоть до его последнего пристанища — аккреционного диска черной дыры. Благодаря такому проекту, осуществленному впервые, удалось не только придать целостность имеющимся знаниям, но и разрешить несколько астрономических загадок.
Прежде чем подступиться к столь масштабному проекту, команда (возглавляемая учеными из Калифорнийского института) дважды потренировалась «на кошках»: ее первый проект был нацелен на моделирование формирования и слияния галактик, а второй — процесса формирования звезд. Теперь астрофизики преодолели «разрыв масштабов» и осуществили нечто по-настоящему всеобъемлющее — то, что во многом перевернуло представления об аккреционных дисках, бытующие с 1970-х годов.
Как утверждают авторы, по своему разрешению их симуляция в 1000 раз превышает детализацию лучших предшествующих работ в данной области. Основой для нее послужил метод «суперувеличения», которому физики подвергли сверхмассивную черную дыру, чтобы понять, как ведет себя материя вокруг нее.
При построении алгоритма и заполнении его данными пришлось решить огромный круг сопутствующих задач. Например, на большинстве этапов своего жизненного цикла газ имеет молекулярную (или, по крайней мере, атомарную) структуру. Но в раскаленном потоке, бешено вращающемся вокруг черной дыры, связи между атомами и отдельными нуклонами рвутся, в результате чего газ превращается в плазму. И эта плазма тоже ведет себя довольно странным образом, который лишь сейчас получил четкое физическое объяснение.
Дело в известном космологическом затруднении: теоретические модели предсказывают, что аккреционные диски должны быть плоскими, хотя по факту они гораздо «пышнее». И одним из первых результатов моделирования стала разгадка данного несовпадения: магнитные поля черной дыры (которые раньше считались «слабыми» и «несущественными»), давят на газ в 10 тысяч раз сильнее, чем тепло. Именно они «распушивают» аккреционный диск, придавая ему объем.
Что особенно удобно: алгоритм был построен «модульным» способом, благодаря которому ученые могли произвольно «включать» или «выключать» нужные им элементы физики. В частности, черная дыра получила изначальную массу 10 миллионов Солнц, которая затем постепенно росла и увеличивалась в масштабе, по мере того как газ приближался к ней.
В результате астрофизикам удалось получить совершенно новый взгляд на поведение космического газа, красной нитью проходящего сквозь всю историю Вселенной. А устранение «разрыва величин» между разноуровневыми событиями открывает пространство для еще более всеобъемлющих моделей, которые могут привести к широчайшему спектру результатов: от точной идентификации темной материи до устранения «напряжения Хаббла».