Astronomové přišli na to, jak mohou černé díry vystřelit relativistické výtrysky materiálu napříč světelnými roky vesmíru
Černé díry jsou nekonečným zdrojem fascinace již od Einsteinových Teorie obecné relativity předpovídali jejich existenci. Za posledních 100 let studium černých děr značně pokročilo, ale bázeň a tajemství těchto objektů zůstává. Vědci například zaznamenali, že v některých případech mají černé díry masivní výtrysky nabitých částic, které z nich vycházejí a které se táhnou miliony světelných let.
Tyto „relativistické výtrysky“ – tak pojmenované, protože pohánějí nabité částice zlomkovou rychlostí světla – matou astronomy po celá léta. Ale díky a nedávné studie provedené mezinárodním týmem výzkumníků, byly získány nové poznatky o těchto tryskách. V souladu s Obecnou relativitou vědci ukázali, že tyto výtrysky postupně precesují (tj. mění směr) v důsledku toho, že časoprostor je vtažen do rotace černé díry.
Jejich studie s názvem „ Vytváření precessingových trysek pomocí nakloněných disků s černými dírami ve 3D obecných relativistických simulacích MHD “, nedávno se objevil vMěsíční oznámení Královské astronomické společnosti. Tým se skládal z členů z Anton Pannekoek Institute for Astronomy na univerzitě v Amsterdamu a profesorem z Centrum pro mezioborový průzkum a výzkum v astrofyzice (CIERA) na Northwestern University.
V zájmu své studie tým provedl simulace pomocí Superpočítač Blue Waters na University of Illinois. Simulace, které provedli, byly vůbec prvními, které modelovaly chování relativistických jetů pocházejících z Supermasivní černé díry (SMBHs). S téměř miliardou výpočetních buněk to byla také simulace rostoucí černé díry s nejvyšším rozlišením, jaká kdy byla dosažena.
Jako Alexander Tchekhovskoy, odborný asistent fyziky a astronomie na Northwestern’s Weinberg College of Arts and Sciences , vysvětlil v nedávném Northwestern Now tisková zpráva :
„Pochopení toho, jak rotující černé díry kolem sebe táhnou časoprostor a jak tento proces ovlivňuje to, co vidíme skrz dalekohledy, zůstává zásadní a těžko rozluštitelnou hádankou. Naštěstí nás průlomy ve vývoji kódu a skoky v architektuře superpočítačů přivádějí stále blíže k nalezení odpovědí.“
Stejně jako všechny supermasivní černé díry, rychle se otáčející SMBH pravidelně pohlcují (aka. akrétní) hmotu. Rychle rotující černé díry jsou však také známé tím, že vyzařují energii ve formě relativistických výtrysků. Hmota, která tyto černé díry živí, tvoří kolem nich rotující disk – aka. akreční disk – který se vyznačuje horkým, nabuzeným plynem a magnetickými siločárami.
Právě přítomnost těchto siločar umožňuje černým dírám pohánět energii ve formě těchto výtrysků. Protože jsou tyto výtrysky tak velké, je snazší je studovat než samotné černé díry. Díky tomu jsou astronomové schopni pochopit, jak rychle se mění směr těchto výtrysků, což odhaluje věci o rotaci samotných černých děr – jako je orientace a velikost jejich rotujících disků.
Pokročilé počítačové simulace jsou nezbytné, pokud jde o studium černých děr, především proto, že nejsou pozorovatelné ve viditelném světle a jsou obvykle velmi daleko. Například SMBH je nejbližší Zemi Střelec A* , která se nachází asi 26 000 světelných let daleko v centru naší galaxie. Simulace jako takové jsou jediným způsobem, jak určit, jak funguje vysoce komplexní systém, jako je černá díra.
V předchozích simulacích vědci vycházeli z předpokladu, že disky černých děr byly zarovnány. Bylo však zjištěno, že většina SMBH má nakloněné disky – tj. disky se otáčejí kolem samostatné osy než samotná černá díra. Tato studie byla proto klíčová v tom, že ukázala, jak mohou disky měnit směr vzhledem ke své černé díře, což vede k precesním výtryskům, které periodicky mění svůj směr.
To bylo dříve neznámé kvůli neuvěřitelně velkému výpočetnímu výkonu, který je potřebný k vytvoření 3D simulací oblasti obklopující rychle se točící černou díru. S podporou a Národní vědecká nadace (NSF), tým byl schopen toho dosáhnout pomocí Blue Waters, jednoho z největších superpočítačů na světě.
Detekce neobvykle jasného rentgenového záblesku ze Sagittarius A*, supermasivní černé díry v centru galaxie Mléčná dráha. Poděkování: NASA/CXC/Stanford/I. Zhuravleva a kol.
S tímto superpočítačem, který měl k dispozici, byl tým schopen zkonstruovat první simulační kód černé díry, který urychlil pomocí grafických procesorových jednotek (GPU). Díky této kombinaci byl tým schopen provádět simulace, které měly nejvyšší dosaženou úroveň rozlišení – tedy téměř miliardu výpočetních buněk. Jako Čechovskoy vysvětlil :
„Vysoké rozlišení nám poprvé umožnilo zajistit, aby byly v našich modelech přesně zachyceny malé turbulentní pohyby disků. K našemu překvapení se tyto pohyby ukázaly být tak silné, že způsobily ztučnění disku a zastavení precese disku. To naznačuje, že k precesi může dojít v dávkách.“
Precese relativistických jetů by mohla vysvětlit, proč byly v minulosti pozorovány fluktuace světla pocházející z okolí černých děr – které jsou známé jako kvaziperiodické oscilace (QPO). Tyto paprsky, které jako první objevil Michiel van der Klis (jeden ze spoluautorů studie), fungují v podstatě stejně jako paprsky kvasarů, které mají zřejmě stroboskopický efekt.
Tato studie je jednou z mnoha, které se provádějí na rotujících černých dírách po celém světě, jejímž účelem je lépe porozumět nedávným objevům, jako je gravitační vlny , které jsou způsobeny sloučením černých děr. Tyto studie jsou také aplikovány na pozorování z Horizontální dalekohled událostí , který zachytil první snímky stínu Sagittarius A*. To, co odhalí, jistě vzruší a ohromí a potenciálně prohloubí tajemství černých děr.
V minulém století studium černých děr značně pokročilo – od čistě teoretického přes nepřímé studie účinků, které mají na okolní hmotu, až po studium samotných gravitačních vln. Možná je jednoho dne skutečně budeme moci studovat přímo nebo (pokud v to není příliš velká naděje) nahlédnout přímo do nich!
Další čtení: Severozápad nyní , MNRAS