Οι μαύρες τρύπες είναι μια από τις πιο φοβερές και μυστηριώδεις δυνάμεις στο Σύμπαν. Αρχικά προβλεπόμενη από τη θεωρία της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν, αυτά τα σημεία στο χωροχρόνο σχηματίζονται όταν τεράστια αστέρια υφίστανται βαρυτική κατάρρευση στο τέλος της ζωής τους. Παρά τις δεκαετίες μελέτης και παρατήρησης, υπάρχουν ακόμα πολλά που δεν γνωρίζουμε για αυτό το φαινόμενο.
Για παράδειγμα, οι επιστήμονες εξακολουθούν να βρίσκονται σε μεγάλο βαθμό στο σκοτάδι για το πώς συμπεριφέρεται η ύλη που βρίσκεται σε τροχιά γύρω από μια μαύρη τρύπα και σταδιακά τροφοδοτείται πάνω της (δίσκοι προσαύξησης). Χάρη σε μια πρόσφατη μελέτη, όπου μια διεθνής ομάδα ερευνητών διεξήγαγε τις πιο λεπτομερείς προσομοιώσεις μιας μαύρης τρύπας μέχρι σήμερα, ορισμένες θεωρητικές προβλέψεις σχετικά με τους δίσκους προσαύξησης έχουν τελικά επικυρωθεί.
Η ομάδα απαρτιζόταν από υπολογιστικούς αστροφυσικούς από το Ινστιτούτο Αστρονομίας Anton Pannekoek του Πανεπιστημίου του Άμστερνταμ, το Κέντρο Διεπιστημονικής Εξερεύνησης & Έρευνας του Πανεπιστημίου Northwestern στην Αστροφυσική (CIERA) και το Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης. Τα ερευνητικά ευρήματά τους εμφανίστηκαν στο τεύχος της 5ης Ιουνίου Μηνιαίες ειδοποιήσεις της Βασιλικής Αστρονομικής Εταιρείας.
Μεταξύ των ευρημάτων τους, η ομάδα επιβεβαίωσε μια θεωρία που παρουσιάστηκε αρχικά το 1975 από τους James Bardeen και Jacobus Petterson, η οποία έγινε γνωστή ως το Bardeen-Petterson Effect. Σύμφωνα με αυτή τη θεωρία, η ομάδα διαπίστωσε ότι ενώ η εξωτερική περιοχή ενός δίσκου συσσώρευσης θα παραμείνει κεκλιμένη, η εσωτερική περιοχή του δίσκου θα ευθυγραμμιστεί με τον ισημερινό της μαύρης τρύπας.
Με απλά λόγια, σχεδόν όλα όσα γνωρίζουν οι ερευνητές σχετικά με τις μαύρες τρύπες έχουν μάθει μελετώντας δίσκους προσαύξησης. Χωρίς αυτούς τους φωτεινούς δακτυλίους αερίου και σκόνης, είναι απίθανο οι επιστήμονες να μπορούν να εντοπίσουν τις μαύρες τρύπες. Επιπλέον, η ανάπτυξη και η ταχύτητα περιστροφής μιας μαύρης τρύπας εξαρτώνται επίσης από τον δίσκο αύξησης, γεγονός που καθιστά τη μελέτη τους απαραίτητη για την κατανόηση της εξέλιξης και της συμπεριφοράς των μαύρων οπών.
Όπως ο Alexander Tchekhovskoy, ένας
Από τότε που οι Bardeen και Petterson πρότειναν τη θεωρία τους, οι προσομοιώσεις των μαύρων οπών υπέφεραν από διάφορα ζητήματα που τους εμπόδισαν να αποφασίσουν εάν θα πραγματοποιηθεί αυτή η ευθυγράμμιση. Πρώτα απ 'όλα, όταν οι δίσκοι αύξησης πλησιάζουν το Event Horizon, επιταχύνονται σε τεράστιες ταχύτητες και μετακινούνται σε στρεβλωμένες περιοχές του χωροχρόνου.
Ένα δεύτερο ζήτημα που περιπλέκει περαιτέρω τα πράγματα είναι το γεγονός ότι η περιστροφή μιας μαύρης τρύπας αναγκάζει τον χωροχρόνο να περιστρέφεται γύρω από αυτό. Και τα δύο αυτά ζητήματα απαιτούν από τους αστροφυσικούς να λαμβάνουν υπόψη τα αποτελέσματα της γενικής σχετικότητας, αλλά παραμένει το ζήτημα της μαγνητικής αναταραχής. Αυτή η αναταραχή αναγκάζει τα σωματίδια του δίσκου να συγκρατούνται σε κυκλικό σχήμα και
Μέχρι τώρα, οι αστροφυσικοί δεν είχαν την υπολογιστική δύναμη να εξηγήσουν όλα αυτά. Για να αναπτύξει έναν ισχυρό κώδικα ικανό να πραγματοποιήσει προσομοιώσεις που αντιστοιχούν σε GR και μαγνητική αναταραχή, η ομάδα ανέπτυξε έναν κώδικα βασισμένο σε γραφικές μονάδες επεξεργασίας (GPUs). Σε σύγκριση με τις συμβατικές κεντρικές μονάδες επεξεργασίας (CPU), οι GPU είναι πολύ πιο αποτελεσματικοί σε αλγόριθμους επεξεργασίας εικόνας και υπολογιστών που επεξεργάζονται μεγάλες σειρές δεδομένων.
Η ομάδα ενσωμάτωσε επίσης μια μέθοδο που ονομάζεται προσαρμοστικό πλέγμα, η οποία εξοικονομεί ενέργεια εστιάζοντας μόνο σε συγκεκριμένα μπλοκ όπου συμβαίνει κίνηση και προσαρμόζεται ανάλογα. Για να δείξει τη διαφορά, ο Tchekhovskoy συνέκρινε τις GPU και
«Ας πούμε ότι πρέπει να μετακομίσετε σε ένα νέο διαμέρισμα. Θα πρέπει να κάνετε πολλά ταξίδια με αυτήν την ισχυρή Ferrari επειδή δεν χωράει πολλά κουτιά. Αλλά αν μπορούσατε να βάλετε ένα κουτί σε κάθε άλογο, θα μπορούσατε να μετακινήσετε τα πάντα με μία κίνηση. Αυτή είναι η GPU. Έχει πολλά στοιχεία, καθένα από τα οποία είναι πιο αργό από αυτά της CPU, αλλά υπάρχουν τόσα πολλά από αυτά. "
Τελευταίο, αλλά όχι λιγότερο σημαντικό, η ομάδα διεξήγαγε την προσομοίωσή τους χρησιμοποιώντας τους υπερυπολογιστές Blue Waters στο Εθνικό Κέντρο Εφαρμογών Υπερυπολογιστών (NCSA) στο Πανεπιστήμιο του Ιλινόις στο Urbana-Champaign. Αυτό που βρήκαν ήταν ότι ενώ η εξωτερική περιοχή ενός δίσκου μπορεί να έχει πλακάκια, η εσωτερική περιοχή θα ευθυγραμμιστεί με τον ισημερινό της μαύρης τρύπας και μια ομαλή στρέβλωση θα τα συνδέσει.
Εκτός από την παροχή κλεισίματος σε μια μακρόχρονη συζήτηση σχετικά με τις μαύρες τρύπες και τους δίσκους αύξησής τους, αυτή η μελέτη δείχνει επίσης ότι έχει προχωρήσει πολύ η αστροφυσική από τις ημέρες του Bardeen και του Petterson. Όπως ο Matthew Liska, ένας ερευνητής συνόψισε:
«Αυτές οι προσομοιώσεις όχι μόνο επιλύουν ένα πρόβλημα 40 ετών, αλλά έχουν δείξει ότι, σε αντίθεση με την τυπική σκέψη, είναι δυνατή η προσομοίωση των πιο φωτεινών δίσκων αύξησης σε πλήρη γενική σχετικότητα. Αυτό ανοίγει το δρόμο για μια επόμενη γενιά προσομοιώσεων, οι οποίες ελπίζω ότι θα λύσουν ακόμη πιο σημαντικά προβλήματα γύρω από τους φωτεινούς δίσκους.
Η ομάδα έλυσε το μακροχρόνιο μυστήριο του Bardeen-Petterson Effect αραιώνοντας το δίσκο προσαύξησης σε πρωτοφανή βαθμό και συνυπολογίζοντας τη μαγνητισμένη αναταραχή που προκαλεί τον δίσκο να συσσωρευτεί. Προηγούμενες προσομοιώσεις έκαναν ουσιαστική απλοποίηση προσεγγίζοντας απλώς τα αποτελέσματα της αναταραχής.
Επιπλέον, οι προηγούμενες προσομοιώσεις λειτούργησαν με αραιωμένους δίσκους που είχαν ελάχιστο λόγο ύψους προς ακτίνα 0,05, ενώ τα πιο ενδιαφέροντα εφέ που είδαν ο Tchekhovskoy και οι συνεργάτες του συνέβησαν όταν ο δίσκος αραιώθηκε σε 0,03. Προς έκπληξή τους, η ομάδα διαπίστωσε ότι ακόμη και με απίστευτα λεπτούς δίσκους αύξησης, η μαύρη τρύπα εξακολουθούσε να εκπέμπει πίδακες σωματιδίων και ακτινοβολία σε ένα μέρος της ταχύτητας του φωτός (γνωστός και ως σχετικιστικός πίδακας).
Όπως εξήγησε ο Tchekhovskoy, αυτό ήταν ένα μάλλον απροσδόκητο εύρημα:
«Κανείς δεν περίμενε να παραχθούν τζετ από αυτούς τους δίσκους σε τόσο μικρά πάχη. Οι άνθρωποι περίμεναν ότι τα μαγνητικά πεδία που παράγουν αυτούς τους πίδακες θα έσπαζαν απλώς αυτούς τους πολύ λεπτούς δίσκους. Αλλά εκεί είναι. Και αυτό πραγματικά μας βοηθά να επιλύσουμε τα μυστήρια παρατήρησης. "
Με όλα τα πρόσφατα ευρήματα που έκαναν οι αστροφυσικοί σχετικά με τις μαύρες τρύπες και τους δίσκους προσαύξησής τους, μπορείτε να πείτε ότι ζούμε στη δεύτερη «Χρυσή Εποχή της Σχετικότητας». Και δεν θα ήταν υπερβολή να πούμε ότι οι επιστημονικές αποδόσεις όλων αυτών των ερευνών θα μπορούσαν να είναι τεράστιες. Κατανοώντας πώς συμπεριφέρεται η ύλη υπό τις πιο ακραίες συνθήκες, πλησιάζουμε όλο και πιο κοντά στο να μάθουμε πώς ταιριάζουν οι θεμελιώδεις δυνάμεις του Σύμπαντος.
