Суперкомпьютеры на базе Intel и AMD помогли ответить на неуловимый вопрос о черных дырах. Читайте подробнее... — neowin.net
Команда астрофизиков из Института перспективных исследований (Institute for Advanced Study) и Института Флэт Айрон (Flatiron Institute) создала самую подробную на сегодняшний день компьютерную модель того, как материя падает в черные дыры. Их исследование, опубликованное в The Astrophysical Journal, впервые рассчитывает эти потоки в рамках полной общей теории относительности и в режиме, где доминирует излучение, без использования упрощений.
Ведущий автор Личжун Чжан (Lizhong Zhang) пояснил: «Впервые мы смогли увидеть, что происходит, когда наиболее важные физические процессы в аккреции черных дыр включены с высокой точностью. Эти системы чрезвычайно нелинейны — любое излишне упрощающее предположение может полностью изменить результат. Что самое захватывающее, так это то, что наши симуляции теперь воспроизводят поразительно согласованное поведение в системах черных дыр, наблюдаемых в небе, от ультраярких рентгеновских источников до рентгеновских двойных систем. В некотором смысле, нам удалось «наблюдать» эти системы не через телескоп, а через компьютер».
Команда провела обзор потоков аккреции, где доминирует излучение, при различных скоростях аккреции массы, двух значениях спина черной дыры и меняющихся конфигурациях магнитного поля. В их моделях использовался новый алгоритм, который напрямую решает уравнение переноса излучения в общей теории относительности, что стало возможным благодаря доступу к современным суперкомпьютерам экзаскейла.
Результаты показали, что когда черные дыры аккрецируют (или накапливают) материю со скоростью, превышающей так называемый предел Эддингтона, потоки формируют толстые диски, поддерживаемые давлением излучения, которые выбрасывают сильные экваториальные ветры. В этом режиме узкий воронкообразный фотосферный слой вблизи центра приводит к очень низкой радиационной эффективности, что означает, что большая часть энергии остается запертой, а не высвобождается в виде света.
Предел Эддингтона — это максимальная светимость аккрецирующей черной дыры (или звезды), которую она может поддерживать, прежде чем давление излучения оттолкнет материал, прекращая дальнейшую аккрецию. Для черных дыр он устанавливает теоретический предел скорости их роста.
Для аккреции вблизи или ниже предела Эддингтона структура зависела от магнитного потока: при чистом вертикальном потоке диск формировал тонкий, плотный слой в средней плоскости, окруженный магнитно-доминирующей короной; при отсутствии потока диск оставался магнитно-доминирующим по всей толщине. Ни одна из моделей не достигла состояния магнитно-задержанной (magnetically arrested) диска, но те, что имели чистый поток и быстро вращающиеся черные дыры, все же порождали мощные релятивистские струи.
Исследование было сосредоточено на черных дырах звездной массы, примерно в десять раз превышающих массу Солнца. Их труднее наблюдать напрямую, чем сверхмассивные черные дыры, которые можно визуализировать, поэтому исследователи полагаются на спектры для их понимания. Поскольку черные дыры звездной массы эволюционируют в масштабах от минут до часов, они полезны для изучения того, как эти системы меняются в реальном времени. Симуляции команды хорошо совпали с данными наблюдений, включая спектры рентгеновских двойных систем и ультраярких рентгеновских источников, таких как Cyg X-3 и SS433. Они также предположили, что их модели со сверхэддингтоновскими скоростями могут помочь объяснить «маленькие красные точки», недавно замеченные телескопом Джеймса Уэбба.
Работа была обеспечена мощностью двух самых быстрых компьютеров в мире: Frontier на базе AMD в Национальной лаборатории Окридж и Aurora на базе Intel в Национальной лаборатории Аргонн. Эти машины экзаскейла способны выполнять квинтиллион операций в секунду, что позволило команде обрабатывать уравнения, которые ранее были слишком сложными. Кристофер Уайт (Christopher White) разработал алгоритм переноса излучения, а Патрик Маллен (Patrick Mullen) реализовал его в коде AthenaK, оптимизированном для экзаскейловых вычислений.
В дальнейшем исследователи планируют расширить свой подход на сверхмассивные черные дыры, которые формируют эволюцию галактик, а также на другие типы черных дыр. Они стремятся усовершенствовать свои модели, чтобы уловить, как излучение взаимодействует с материей в различных условиях. Соавтор Джеймс Стоун (James Stone) подытожил достижение: «Что делает этот проект уникальным, так это, с одной стороны, время и усилия, затраченные на разработку прикладной математики и программного обеспечения, способного моделировать эти сложные системы, а с другой — наличие очень большого объема ресурсов на крупнейших суперкомпьютерах мира для выполнения этих расчетов. Теперь задача состоит в том, чтобы понять всю науку, которая из этого вытекает».
Источник: Institute for Advanced Study, IOP Publishing
Эта статья была сгенерирована с помощью ИИ и проверена редактором. В соответствии с Разделом 107 Закона об авторском праве 1976 года, этот материал используется в целях новостного освещения. Добросовестное использование — это использование, разрешенное статутом об авторском праве, которое в противном случае могло бы нарушать закон.
Всегда имейте в виду, что редакции могут придерживаться предвзятых взглядов в освещении новостей.
Автор – Sayan Sen