Sorte hull er en av de mest fantastiske og mystiske kreftene i universet. Disse punktene ble opprinnelig spådd av Einsteins teori om generell relativitet, og dannes når store stjerner gjennomgår gravitasjonskollaps på slutten av livet. Til tross for flere tiår med studier og observasjon, er det fremdeles mye vi ikke vet om dette fenomenet.
For eksempel er forskere fremdeles stort sett i mørket om hvordan saken som faller i bane rundt et svart hull og gradvis blir ført på den (akkresjonsskiver) oppfører seg. Takket være en fersk undersøkelse, der et internasjonalt team av forskere gjennomførte de mest detaljerte simuleringene av et svart hull til dags dato, er endelig en rekke teoretiske forutsigelser angående akkresjonsskiver validert.
Teamet besto av beregnings astrofysikere fra University of Amsterdam Anton Pannekoek Institute for Astronomy, Northwestern University Center for Interdisciplinary Exploration & Research in Astrophysics (CIERA), og University of Oxford. Forskningsresultatene deres dukket opp i den 5. juni utgaven av Månedlige merknader fra Royal Astronomical Society.
Blant funnene deres bekreftet teamet en teori som opprinnelig ble presentert i 1975 av James Bardeen og Jacobus Petterson, som har blitt kjent som Bardeen-Petterson-effekten. I samsvar med denne teorien fant teamet ut at mens den ytre regionen til en akkresjonsskive forblir vippet, vil diskens indre region samsvare med ekvatoren til det sorte hullet.
For å si det enkelt, så godt som alt forskere vet om sorte hull har blitt lært ved å studere akkresjonsskiver. Uten disse lyse ringene med gass og støv, er det lite sannsynlig at forskere ville være i stand til å finne sorte hull. Hva mer er, et svart hulls vekst og rotasjonshastighet er også avhengig av dens akkresjonsskive, noe som gjør studiet av dem essensielt for å forstå sorte hulls utvikling og oppførsel.
Som Alexander Tchekhovskoy, an
Helt siden Bardeen og Petterson foreslo sin teori, har simuleringer av svart hull lidd av en rekke problemer som har forhindret dem i å avgjøre om denne justeringen finner sted. Først av alt, når akkresjonsskivene nærmer seg Event Horizon, akselererer de til enorme hastigheter og beveger seg gjennom skjeve områder av romtiden.
En annen sak som kompliserer saken ytterligere er det faktum at et svart hulls rotasjon tvinger rom-tid til å snurre rundt det. Begge disse problemstillingene krever at astrofysikere redegjør for virkningene av generell relativitet, men det er fortsatt spørsmålet om magnetisk turbulens. Denne turbulensen får diskens partikler til å holde seg sammen i en sirkulær form og
Til nå har ikke astrofysikere hatt datakraften til å gjøre rede for alt dette. For å utvikle en robust kode som er i stand til å utføre simuleringer som sto for GR og magnetisk turbulens, utviklet teamet en kode basert på grafiske prosesseringsenheter (GPUer). Sammenlignet med konvensjonelle sentrale prosesseringsenheter (CPUer), er GPU-er mye mer effektive til bildebehandlings- og databehandlingsalgoritmer som behandler store skår av data.
Teamet har også innarbeidet en metode som kalles adaptiv nettforfining, som sparer energi ved kun å fokusere på spesifikke blokker der bevegelse skjer og tilpasser seg deretter. For å illustrere forskjellen sammenlignet Tchekhovskoy GPUer og
La oss si at du trenger å flytte inn i en ny leilighet. Du må ta mange turer med denne kraftige Ferrari fordi den ikke vil passe til mange bokser. Men hvis du kunne sette en boks på hver hest, kan du flytte alt på en gang. Det er GPU. Den har mange elementer, som hver er tregere enn de i CPU, men det er så mange av dem. ”
Sist, men ikke minst, kjørte teamet sin simulering ved hjelp av Blue Waters-superdatamaskiner ved National Center for Supercomputing Applications (NCSA) ved University of Illinois i Urbana-Champaign. Det de fant var at mens det ytre området på en disk kan være flislagt, vil det indre området være på linje med det sorte hullets ekvator og en jevn varp vil forbinde dem.
I tillegg til å sørge for avslutning på en langvarig debatt om sorte hull og deres akkresjonsskiver, viser denne studien også at langt astrofysikk har hatt fremgang siden Bardeen og Pettersons dager. Som Matthew Liska oppsummerte en forsker:
“Disse simuleringene løser ikke bare et 40 år gammelt problem, men de har vist at det, i motsetning til vanlig tenkning, er mulig å simulere de mest lysende skiltingsplatene i full generell relativitet. Dette baner vei for en neste generasjon simuleringer, som jeg håper vil løse enda viktigere problemer rundt lysende akkresjonsskiver. ”
Teamet løste det mangeårige mysteriet om Bardeen-Petterson-effekten ved å tynne akkretjonsdisken i enestående grad og innlemme den magnetiserte turbulensen som får disken til å akkreditere. Tidligere simuleringer gjorde en betydelig forenkling ved bare å tilnærme effekten av turbulensen.
Dessuten fungerte tidligere simuleringer med tynne disker som hadde et minimum høyde-til-radius-forhold på 0,05, mens de mest interessante effektene sett av Tchekhovskoy og hans kolleger oppstod når disken ble tynnet til 0,03. Til sin overraskelse fant teamet at selv med utrolig tynne skiltingsplater, sendte det svarte hullet fremdeles stråler av partikler og stråling med en del av lysets hastighet (også kjent som relativistiske jetfly).
Som Tchekhovskoy forklarte, var dette et ganske uventet funn:
"Ingen forventet at det skulle produseres jetfly av disse platene med så små tykkelser. Folk forventet at magnetfeltene som produserer disse jetflyene bare ville rive gjennom disse virkelig tynne disker. Men der er de. Og det hjelper oss faktisk med å løse observasjonsmysterier. ”
Med alle de siste funnene som astrofysikere har gjort angående sorte hull og deres akkresjonsskiver, kan du si at vi lever i den andre "Golden Age of Relativity". Og det ville ikke være noen overdrivelse å si at den vitenskapelige gevinsten for all denne forskningen kan være enorm. Ved å forstå hvordan materien oppfører seg under de mest ekstreme forhold, kommer vi stadig nærmere å lære hvordan de grunnleggende kreftene i universet passer sammen.
