Детальное компьютерное моделирование, проведенное учеными, перевернуло представления о формировании сверхмассивных черных дыр. Исследование показало, что магнитные поля оказывают решающее влияние на структуру аккреционных дисков — гораздо большее, чем предполагалось ранее. Под их воздействием относительно плоский диск, вращающийся вокруг черной дыры, становится более объемным, неровным и принимает округлую форму, напоминающую скорее торт, чем блин.
Когда вещество падает в гравитационную ловушку черной дыры, оно не исчезает мгновенно. Сначала оно формирует раскаленный аккреционный диск, вращающийся с огромной скоростью. Именно интенсивное излучение этого диска позволило астрономам в 2019 году впервые получить изображение черной дыры. Однако внутренняя динамика, физика формирования и эволюции этих дисков до сих пор оставалась загадкой.
Пробелы в масштабах моделирования
Для изучения космических объектов астрофизики активно используют компьютерное моделирование, основанное на сложных физических уравнениях. Например, моделирование гравитационного коллапса газового облака может предсказать рождение звезды. Однако, как отмечает астрофизик-теоретик Филип Хопкинс из Калифорнийского технологического института, реальность гораздо сложнее простого накопления вещества под действием гравитации.
На процессы влияет множество факторов: звездный ветер, излучение, меняющее химический состав среды. При этом моделирование сталкивается с фундаментальной проблемой масштаба. Для изучения галактик критически важна физика атомов и молекул, в то время как для моделирования раскаленных аккреционных дисков, состоящих из ионизированной плазмы, эти параметры часто игнорируются. Существующие вычислительные системы не могли одновременно охватить и мелкомасштабные, и крупномасштабные процессы, создавая существенные пробелы в понимании.
Обратите внимание: Японские ученые осваивают технологии создания детей из клеток кожи.
«В одних алгоритмах есть физика для мелкомасштабных задач, в других — для крупномасштабных, но невозможно было сделать и то, и другое одновременно», — поясняет Хопкинс.Чтобы преодолеть это ограничение, команда Хопкинса разработала революционный подход, объединивший две ранее несовместимые программы моделирования: FIRE (для крупных масштабов, например, столкновений галактик) и STARFORGE (для малых масштабов, например, формирования отдельных звезд). Результаты этого прорывного исследования были опубликованы в Astrophysical Journal.
Выпуклые аккреционные диски: открытие, меняющее теорию
Используя метод «супермасштабирования», ученые создали модульную компьютерную программу GIZMO, которая позволила с беспрецедентной детализацией смоделировать аккреционный диск сверхмассивной черной дыры массой в 10 миллионов солнц в ранней Вселенной. Разрешение новой модели в 1000 раз превысило предыдущие рекорды, позволив проследить путь газа от протозвездного облака до самого края черной дыры.
Главным сюрпризом для исследователей стала колоссальная роль магнитных полей. Ранее доминировала теория, согласно которой форму диска в основном определяет тепловое давление, а магнитные силы второстепенны. Новое моделирование опровергло эту гипотезу. Оказалось, что давление, создаваемое магнитными полями в диске, может превосходить тепловое давление в десятки тысяч раз! Именно это магнитное давление «раздувает» диск, делая его толстым, выпуклым и турбулентным.
«Наша прежняя теория предсказывала, что диск должен быть плоским, как блин, — говорит Хопкинс. — Но астрономические наблюдения и наша новая модель показывают, что эти диски на самом деле пухлые, мягкие и больше похожи на пончик или торт».
Это открытие кардинально меняет подход к оценке ключевых параметров аккреционных дисков: их массы, плотности, геометрии и скорости поглощения вещества. Кроме того, разработанная платформа GIZMO открывает путь для моделирования других космических явлений, где важен мультимасштабный подход, — от слияния галактик до рождения первых звезд во Вселенной.
Видео-демонстрация исследования:
Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.