Ученые создали самую точную на сегодня модель того, как вещество падает в черные дыры. Для расчетов они использовали два суперкомпьютера эксафлопсного уровня, Frontier и Aurora, способные выполнять квинтиллион операций в секунду. Эти машины позволили просчитать движение газа, его разогрев и закручивание в плотный горячий диск вокруг объекта, что раньше было невозможно из-за сложности процессов. Модель дает реальное представление о том, как свет и материя ведут себя в экстремальном гравитационном поле.
Работу проводили специалисты из нескольких научных центров. В проекте нашли применение десятилетия исследований и новые алгоритмы. В отличие от предыдущих моделей, здесь не использовались упрощенные схемы: излучение учитывается таким, каким оно есть в общей теории относительности. Это важно, потому что любые сокращения и приближения сильно меняли результаты. Теперь вычислительная модель позволяет увидеть детали, которые до этого оставались за пределами наблюдений, и получить более достоверное представление о процессах вблизи компактных объектов.
Особое внимание уделили черным дырам звездной массы — примерно в 10 раз массивнее Солнца. Их размер позволяет видеть изменения за часы и минуты, что делает их удобной лабораторией для изучения в динамике. Вещество образует турбулентный диск с интенсивным излучением, а на его краях возникают мощные струи и ветра, способные разгонять частицы до огромных скоростей. Полученные спектры оказались очень близки к наблюдаемым данным, что подтверждает точность модели.
Благодаря суперкомпьютерам получилось посмотреть на расчеты взаимодействий фотонов с горячим газом, магнитными полями и гравитацией с беспрецедентной точностью. Алгоритмы рассчитывают каждое столкновение и обмен энергией, что позволяет строить последовательную эволюцию диска и предсказывать поведение потоков вещества. Система опирается на оптимизированные численные методы и распределение нагрузки между тысячами ядер, из-за чего расчет более точен.
Этот проект стал результатом многолетней работы, которая сочетает физику, программирование и анализ данных. Раньше исследователям приходилось жертвовать точностью ради скорости расчета, теперь доступна полная картина процессов на границе невидимой области. Модель поможет понять, почему разные черные дыры ведут себя по-разному, как формируются джеты и как энергия перемещается в окрестностях этих объектов.
Полученные результаты открывают путь к построению более масштабных моделей сверхмассивных черных дыр в центрах галактик. Ученые надеются, что дальнейшее развитие эксафлопсных вычислений позволит просчитывать сложные системы и сравнивать их с наблюдениями, чтобы понять поведение самых ярких источников энергии во Вселенной. Приближается момент, когда физики смогут полностью описывать эволюцию черных дыр.
Ранее мы писали о том, что в ранней Вселенной нашли копию Млечного Пути.