Современные вычислительные технологии позволили учёным по-новому взглянуть на процессы, происходящие в непосредственной близости от чёрных дыр. Международная команда специалистов из Института Флэтирон (США) представила самое подробное на сегодняшний день компьютерное моделирование поведения материи у границы чёрной дыры звёздной массы.
Ключевая особенность работы заключается в том, что расчёты были выполнены без упрощающих допущений, которые ранее неизбежно применялись из-за ограничений вычислительных ресурсов. Благодаря этому исследователи смогли максимально точно описать экстремальные физические условия, царящие в окрестностях этих загадочных космических объектов.
Пространство вокруг чёрной дыры представляет собой область крайней нестабильности. Потоки газа, устремляющиеся к горизонту событий, сталкиваются с интенсивным излучением, вызывая вспышки энергии и мощные выбросы плазмы. Предсказать подобные процессы долгое время было почти невозможно из-за сильного искривления пространства-времени и сложности взаимодействия материи, света и магнитных полей.
Прорыв стал возможен благодаря использованию сразу двух высокопроизводительных суперкомпьютеров. Они позволили объединить данные наблюдений за аккрецией — падением вещества на чёрную дыру — с характеристиками её вращения и магнитной структуры. В результате была создана комплексная модель, описывающая движение газа, распространение фотонов и эволюцию магнитных полей вокруг чёрных дыр, сопоставимых по массе с Солнцем.
По словам астрофизика Личжуна Чжана, впервые удалось учесть все ключевые физические процессы одновременно. Учёный подчёркивает, что системы такого рода крайне чувствительны к любым допущениям, и даже незначительное упрощение способно кардинально изменить итоговую картину.
Симуляция показала, что вокруг быстро вращающейся чёрной дыры формируется плотный аккреционный диск. При этом не всё вещество поглощается: часть материи выбрасывается обратно в космос в виде узких релятивистских струй — джетов, формирование и направление которых определяется магнитными полями. Когда масса газа достигает определённого порога, возникает своеобразный канал, затягивающий материю с колоссальной скоростью и создающий направленный пучок излучения, заметный лишь при определённом угле наблюдения.
Особую роль в этих процессах играет магнитное поле, которое одновременно управляет притоком вещества к горизонту событий и его выбросом в виде звёздных ветров и джетов. Разработанный алгоритм на сегодняшний день остаётся единственным, который корректно описывает распространение света в искривлённом пространстве-времени в рамках общей теории относительности, одновременно учитывая физику плазмы и взаимодействие излучения с веществом.
В дальнейшем исследователи намерены проверить, насколько полученная модель применима к другим типам чёрных дыр, включая сверхмассивный объект Стрелец A* в центре нашей галактики. Кроме того, учёные считают, что результаты работы могут пролить свет на природу так называемых «маленьких красных точек» — космических объектов, излучающих аномально слабые рентгеновские сигналы.