Svarte hull har vært en uendelig kilde til fascinasjon helt siden Einsteins teori om generell relativitet forutså deres eksistens. I løpet av de siste 100 årene har studiet av sorte hull avansert betydelig, men ærefrykten og mysteriet for disse gjenstandene er fortsatt. For eksempel har forskere bemerket at i noen tilfeller har sorte hull massive jetfly med ladede partikler som stammer fra dem som strekker seg i millioner lysår.
Disse “relativistiske jetflyene” - såkalte fordi de driver ladede partikler med en brøkdel av lysets hastighet - har overrasket astronomer i årevis. Men takket være en fersk studie utført av et internasjonalt forskerteam, har man fått ny innsikt i disse jetflyene. I samsvar med generell relativitet viste forskerne at disse jetflyene gradvis trenger (dvs. endre retning) som et resultat av at romtid ble dratt inn i rotasjonen av det sorte hullet.
Studien deres, med tittelen “Formation of Precessing Jets by Tilted Black Hole Discs in 3D General Relativistic MHD Simulations”, dukket nylig opp i Månedlige merknader fra Royal Astronomical Society. Teamet besto av medlemmer fra Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA) ved Northwestern University.
For studiens skyld gjennomførte teamet simuleringer ved bruk av Blue Waters superdatamaskin ved University of Illinois. Simuleringene de gjennomførte var de første som noensinne modellerte oppførselen til relativistiske jetfly fra Supermassive Black Holes (SMBHs). Med nærmere en milliard beregningsceller var det også den høyeste oppløsningen simulering av et akkreterende svart hull noensinne oppnådd.
Som Alexander Tchekhovskoy, assisterende professor i fysikk og astronomi ved Northwesterns Weinberg College of Arts and Sciences, forklarte i en fersk pressemelding fra Northwestern Now:
- Å forstå hvordan roterende sorte hull drar romtiden rundt dem og hvordan denne prosessen påvirker det vi ser gjennom teleskopene, er fortsatt et avgjørende, vanskelig å sprekke puslespill. Heldigvis gir gjennombruddene i kodeutvikling og sprang i superdataarkitektur oss stadig nærmere å finne svarene. ”
På samme måte som alle supermassive sorte huller, rasker raskt spinnende SMBH-er regelmessig (aka. Accrete) materie. Imidlertid er hurtigspinnende sorte hull også kjent for måten de avgir energi på i form av relativistiske jetfly. Saken som mater disse svarte hullene danner en roterende disk rundt dem - også. en akkresjonsskive - som er preget av varme, strømførte gass- og magnetfeltlinjer.
Det er tilstedeværelsen av disse feltlinjene som gjør at sorte hull kan drive energi i form av disse jetflyene. Fordi disse jetflyene er så store, er de lettere å studere enn de sorte hullene. På denne måten kan astronomer forstå hvor raskt retningen til disse jetflyene endres, noe som avslører ting om rotasjonen av de sorte hullene - for eksempel orientering og størrelse på roterende disker.
Avanserte datasimuleringer er nødvendige når det gjelder undersøkelse av sorte hull, i stor grad fordi de ikke er observerbare i synlig lys og vanligvis er veldig langt unna. For eksempel er Skytten A *, som ligger nærmest SMBH, som ligger omtrent 26 000 lysår borte i sentrum av galaksen. Som sådan er simuleringer den eneste måten å bestemme hvordan et svært komplekst system som et svart hull fungerer.
I tidligere simuleringer opererte forskere under forutsetning av at skiver med svart hull var på linje. Imidlertid har det vist seg at de fleste SMBH-er har vippede disker - dvs. platene roterer rundt en egen akse enn selve det sorte hullet. Denne studien var derfor avgjørende på den måten at den viste hvordan disker kan endre retning i forhold til det sorte hullet deres, noe som førte til forutgående jetfly som periodisk endret retning.
Dette var tidligere ukjent på grunn av den utrolige mengden datakraft som er nødvendig for å konstruere 3D-simuleringer av regionen som omgir et raskt spinnende svart hull. Med støtte fra en National Science Foundation (NSF) tilskudd var teamet i stand til å oppnå dette ved å bruke Blue Waters, en av de største superdatamaskinene i verden.
Med denne superdatamaskinen til disposisjon kunne teamet konstruere den første svart hullsimuleringskoden, som de akselererte ved hjelp av grafiske prosesseringsenheter (GPUer). Takket være denne kombinasjonen var teamet i stand til å utføre simuleringer som hadde det høyeste oppløsningsnivået noensinne oppnådd - dvs. nær en milliard beregningsceller. Som Tchekhovskoy forklarte:
“Den høye oppløsningen tillot oss for første gang å sikre at småskala turbulente diskbevegelser fanges nøyaktig i modellene våre. Til vår overraskelse viste det seg at disse bevegelsene var så sterke at de fikk disken til å bli fet og diskens presesjon stoppet. Dette antyder at presesjonen kan oppstå i utbrudd. ”
Forhånden til relativistiske jetfly kan forklare hvorfor lyssvingninger har blitt observert fra rundt sorte hull i fortiden - som er kjent som kvasi-periodiske svingninger (QPO). Disse bjelkene, som først ble oppdaget av Michiel van der Klis (en av medforfatterne på studien), fungerer på omtrent samme måte som en kvasars bjelker, som ser ut til å ha en strøende effekt.
Denne studien er en av mange som driver med å rotere sorte hull rundt om i verden, og formålet med dette er å få en bedre forståelse av nylige funn som gravitasjonsbølger, som er forårsaket av sammenslåing av sorte hull. Disse studiene blir også brukt til observasjoner fra Event Horizon Telescope, som fanget de første bildene av Skytten A * 's skygge. Det de vil avsløre er sikker på å begeistre og forbløffe, og potensielt utdype mysteriet med sorte hull.
I det siste århundret har studiet av sorte hull avansert betydelig - fra rent teoretisk, til indirekte studier av effektene de har på omgivelsene, til studiet av gravitasjonsbølger. Kanskje en dag, kan vi faktisk være i stand til å studere dem direkte eller (hvis det ikke er for mye å håpe på) peer direkte inni dem!
