Οι μαύρες τρύπες υπήρξαν μια ατελείωτη πηγή γοητείας από τότε που η Θεωρία της Γενικής Σχετικότητας του Αϊνστάιν προέβλεπε την ύπαρξή τους. Τα τελευταία 100 χρόνια, η μελέτη των μαύρων τρυπών έχει προχωρήσει σημαντικά, αλλά παραμένει το δέος και το μυστήριο αυτών των αντικειμένων. Για παράδειγμα, οι επιστήμονες σημείωσαν ότι σε ορισμένες περιπτώσεις, οι μαύρες τρύπες έχουν τεράστια εκτόξευση φορτισμένων σωματιδίων που προέρχονται από αυτά που εκτείνονται για εκατομμύρια έτη φωτός.
Αυτοί οι «σχετικιστικοί πίδακες» - ονομαζόμενοι επειδή προωθούν φορτισμένα σωματίδια σε ένα κλάσμα της ταχύτητας του φωτός - προβληματίζουν τους αστρονόμους για χρόνια. Αλλά χάρη σε μια πρόσφατη μελέτη που διεξήχθη από μια διεθνή ομάδα ερευνητών, αποκτήθηκαν νέες γνώσεις σε αυτά τα αεροσκάφη. Σύμφωνα με τη Γενική Σχετικότητα, οι ερευνητές έδειξαν ότι αυτά τα αεριωθούμενα αεροπλάνα σταδιακά υποχωρούν (δηλαδή αλλάζουν κατεύθυνση) ως αποτέλεσμα του χωροχρόνου να μεταφέρεται στην περιστροφή της μαύρης τρύπας.
Η μελέτη τους, με τίτλο «Σχηματισμός των αεριωθούμενων αεριωθούμενων αεροσκαφών από δίσκους με μαύρη τρύπα με κλίση σε 3D General Relativistic MHD Simulations», πρόσφατα εμφανίστηκε στο Μηνιαίες ειδοποιήσεις της Βασιλικής Αστρονομικής Εταιρείας. Η ομάδα αποτελούνταν από μέλη του Κέντρου Διεπιστημονικής Εξερεύνησης και Έρευνας στην Αστροφυσική (CIERA) στο Πανεπιστήμιο Northwestern.
Για χάρη της μελέτης τους, η ομάδα διεξήγαγε προσομοιώσεις χρησιμοποιώντας τον υπερυπολογιστή Blue Waters στο Πανεπιστήμιο του Ιλινόις. Οι προσομοιώσεις που διεξήγαγαν ήταν οι πρώτες που μοντελοποίησαν τη συμπεριφορά των σχετικιστικών πίδακες που προέρχονται από τις Supermassive Black Holes (SMBHs). Με σχεδόν ένα δισεκατομμύριο υπολογιστικά κελιά, ήταν επίσης η προσομοίωση υψηλότερης ανάλυσης μιας μαύρης τρύπας που έχει επιτευχθεί ποτέ.
Όπως εξήγησε ο Alexander Tchekhovskoy, επίκουρος καθηγητής φυσικής και αστρονομίας στο Weinberg College of Arts and Sciences του Northwestern, σε πρόσφατο δελτίο τύπου του Northwestern Now:
«Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο οι περιστρεφόμενες μαύρες τρύπες σέρνουν το χωροχρόνο γύρω τους και πώς αυτή η διαδικασία επηρεάζει αυτό που βλέπουμε μέσω των τηλεσκοπίων παραμένει ένα κρίσιμο, δύσκολο να σπάσει. Ευτυχώς, οι ανακαλύψεις στην ανάπτυξη κώδικα και τα άλματα στην αρχιτεκτονική των υπερυπολογιστών μας φέρνουν όλο και πιο κοντά στην εξεύρεση απαντήσεων. "
Όπως και όλες οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες, οι SMBH που περιστρέφονται γρήγορα κατακλύζουν τακτικά (γνωστή και ως ακριβής) ύλη. Ωστόσο, οι ταχέως περιστρεφόμενες μαύρες τρύπες είναι επίσης γνωστές για τον τρόπο που εκπέμπουν ενέργεια με τη μορφή σχετιστικών πίδακες. Το θέμα που τροφοδοτεί αυτές τις μαύρες τρύπες σχηματίζει έναν περιστρεφόμενο δίσκο γύρω τους - επίσης. ένας δίσκος συσσώρευσης - ο οποίος χαρακτηρίζεται από γραμμές θερμού, ενεργοποιημένου αερίου και μαγνητικού πεδίου.
Η παρουσία αυτών των γραμμών πεδίου επιτρέπει στις μαύρες τρύπες να προωθούν την ενέργεια με τη μορφή αυτών των πίδακες. Επειδή αυτά τα αεροσκάφη είναι τόσο μεγάλα, είναι πιο εύκολο να μελετηθούν από τις ίδιες τις μαύρες τρύπες. Με αυτόν τον τρόπο, οι αστρονόμοι μπορούν να κατανοήσουν πόσο γρήγορα αλλάζει η κατεύθυνση αυτών των πίδακες, κάτι που αποκαλύπτει πράγματα για την περιστροφή των ίδιων των μαύρων οπών - όπως ο προσανατολισμός και το μέγεθος των περιστρεφόμενων δίσκων τους.
Προηγμένες προσομοιώσεις υπολογιστών είναι απαραίτητες όταν πρόκειται για τη μελέτη των μαύρων οπών, κυρίως επειδή δεν είναι παρατηρήσιμες σε ορατό φως και είναι συνήθως πολύ μακριά. Για παράδειγμα, το κοντινότερο SMBH στη Γη είναι ο Τοξότης A *, ο οποίος βρίσκεται περίπου 26.000 έτη φωτός στο κέντρο του γαλαξία μας. Ως εκ τούτου, οι προσομοιώσεις είναι ο μόνος τρόπος για να καθοριστεί πώς λειτουργεί ένα πολύ περίπλοκο σύστημα όπως μια μαύρη τρύπα.
Σε προηγούμενες προσομοιώσεις, οι επιστήμονες λειτούργησαν με την υπόθεση ότι οι δίσκοι μαύρης τρύπας ήταν ευθυγραμμισμένοι. Ωστόσο, τα περισσότερα SMBHs έχουν κλίση δίσκων - δηλαδή οι δίσκοι περιστρέφονται γύρω από έναν ξεχωριστό άξονα από την ίδια τη μαύρη τρύπα. Αυτή η μελέτη ήταν, επομένως, καθοριστική, καθώς έδειξε πώς οι δίσκοι μπορούν να αλλάξουν κατεύθυνση σε σχέση με τη μαύρη τρύπα τους, οδηγώντας σε προηγούμενους πίδακες που αλλάζουν περιοδικά την κατεύθυνση τους.
Αυτό ήταν προηγουμένως άγνωστο λόγω της απίστευτης ποσότητας υπολογιστικής ισχύος που απαιτείται για την κατασκευή τρισδιάστατων προσομοιώσεων της περιοχής που περιβάλλει μια ταχέως περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα. Με την υποστήριξη μιας επιχορήγησης του Εθνικού Επιστημονικού Ιδρύματος (NSF), η ομάδα μπόρεσε να το επιτύχει χρησιμοποιώντας τα Blue Waters, έναν από τους μεγαλύτερους υπερυπολογιστές στον κόσμο.
Με αυτόν τον υπερυπολογιστή στη διάθεσή τους, η ομάδα μπόρεσε να κατασκευάσει τον πρώτο κωδικό προσομοίωσης μαύρων οπών, τον οποίο επιτάχυναν χρησιμοποιώντας γραφικές μονάδες επεξεργασίας (GPUs). Χάρη σε αυτόν τον συνδυασμό, η ομάδα μπόρεσε να πραγματοποιήσει προσομοιώσεις που είχαν το υψηλότερο επίπεδο ανάλυσης που έχει επιτευχθεί ποτέ - δηλαδή κοντά σε ένα δισεκατομμύριο υπολογιστικά κελιά. Όπως εξήγησε ο Tchekhovskoy:
«Η υψηλή ανάλυση μάς επέτρεψε, για πρώτη φορά, να διασφαλίσουμε ότι οι ταραχώδεις κινήσεις δίσκου μικρής κλίμακας καταγράφονται με ακρίβεια στα μοντέλα μας. Προς έκπληξή μας, αυτές οι κινήσεις αποδείχθηκαν τόσο δυνατές που προκάλεσαν την πάχυνση του δίσκου και τη διακοπή του δίσκου. Αυτό υποδηλώνει ότι η ύφεση μπορεί να προκύψει σε εκρήξεις. "
Η ύφεση των σχετικιστικών αεριωθούμενων αεροσκαφών θα μπορούσε να εξηγήσει γιατί στο φως στο παρελθόν παρατηρήθηκαν ελαφρές διακυμάνσεις που προέρχονταν από γύρω από τις μαύρες τρύπες - οι οποίες είναι γνωστές ως οιονεί περιοδικές ταλαντώσεις (QPOs). Αυτά τα δοκάρια, τα οποία ανακαλύφθηκαν για πρώτη φορά από τον Michiel van der Klis (ένας από τους συν-συγγραφείς της μελέτης), λειτουργούν με τον ίδιο τρόπο όπως οι δοκοί ενός κβάζαρ, οι οποίοι φαίνεται να έχουν στροβιλιστικό αποτέλεσμα.
Αυτή η μελέτη είναι μία από τις πολλές που διεξάγονται σε περιστρεφόμενες μαύρες τρύπες σε όλο τον κόσμο, σκοπός της οποίας είναι να αποκτήσει καλύτερη κατανόηση σχετικά με πρόσφατες ανακαλύψεις όπως τα κύματα βαρύτητας, που προκαλούνται από τη συγχώνευση των μαύρων οπών. Αυτές οι μελέτες εφαρμόζονται επίσης σε παρατηρήσεις από το Τηλεσκόπιο Event Horizon, το οποίο συνέλαβε τις πρώτες εικόνες της σκιάς του Τοξότη Α *. Αυτό που θα αποκαλύψουν είναι σίγουρο ότι θα ενθουσιάσει και θα εκπλήξει, και ενδεχομένως να εμβαθύνει το μυστήριο των μαύρων τρυπών.
Τον περασμένο αιώνα, η μελέτη των μαύρων τρυπών έχει προχωρήσει σημαντικά - από την καθαρά θεωρητική, στις έμμεσες μελέτες των επιπτώσεων που έχουν στη γύρω ύλη, στη μελέτη των ίδιων των βαρυτικών κυμάτων. Ίσως μια μέρα, θα μπορούσαμε πραγματικά να τα μελετήσουμε απευθείας ή (αν δεν είναι πάρα πολύ να ελπίζουμε) να κοιτάξουμε απευθείας μέσα τους!
