Straujie melno caurumu svētki šokē zinātniekus

Jauni pētījumi atklāj, ka supermasīvie melnie caurumi ap tiem esošo materiālu patērē ātrāk, nekā tika uzskatīts iepriekš. Šis ieskats, kas iegūts no augstas izšķirtspējas simulācijām, varētu izskaidrot, kāpēc kvazāri tik ātri izdeg un izgaist.

jauns Ziemeļrietumu universitāteViņa vadītais pētījums maina veidu, kā astrofiziķi izprot supermasīvo melno caurumu ēšanas paradumus.

Lai gan iepriekšējie pētnieki pieņēma, ka melnie caurumi ēd lēni, jaunas simulācijas liecina, ka melnie caurumi pārklāj pārtiku daudz ātrāk, nekā liecina parastā izpratne.

Pētījums tika publicēts 20. septembrī uz Astrofizikas žurnāls.

Simulācijas ieskati

Saskaņā ar jaunām augstas izšķirtspējas 3D simulācijām, rotējošie melnie caurumi deformē apkārtējo telpu laiku, galu galā saraujot vardarbīgo gāzes (vai akrecijas diska) virpuli, kas tos ieskauj un baro. Tas sadala disku iekšējos un ārējos apakšdiskos. Melnie caurumi vispirms aprij iekšējo gredzenu. Pēc tam atkritumi no ārējā apakšdiska izplūst uz iekšu, lai aizpildītu tukšumu, ko atstājis pilnībā iztērētais iekšējais gredzens, un ēšanas process tiek atkārtots.

Viens šī nepārtrauktā ēšanas-uzpildīšanas-ēšanas procesa cikls aizņem tikai mēnešus — tas ir satriecoši ātrs laika grafiks, salīdzinot ar pētnieku iepriekš ieteiktajiem simtiem gadu.

Šis jaunais atklājums varētu palīdzēt izskaidrot dažu spilgtāko objektu, tostarp kvazāru, dramatisko uzvedību nakts debesīs, kas pēkšņi uzliesmo un pēc tam pazūd bez paskaidrojumiem.

Šī simulācija parāda, kā supermasīva melnā cauruma akrecijas disks var sadalīties divos apakšdiskos, kas šajā attēlā nav izlīdzināti. Kredīts: Nick Kaz / Ziemeļrietumu universitāte

“Klasiskā akrecijas diska teorija paredz, ka disks attīstās lēni,” sacīja Niks Kaz no Ziemeļrietumu universitātes, kurš vadīja pētījumu. “Bet daži kvazāri, kas rodas no melnajiem caurumiem, kas ēd gāzi no saviem akrecijas diskiem, laika gaitā radikāli mainās mēnešu vai gadu laikā. Šī atšķirība ir diezgan dramatiska. Šķiet, ka diska iekšpuse, no kuras nāk lielākā daļa gaismas, ir tiks iznīcināta.” Pēc tam tas atjaunojas. Klasiskā akrecijas diska teorija nevar izskaidrot šo kraso atšķirību. Taču parādības, ko redzam mūsu simulācijās, var. Straujais gaišums un aptumšošana atbilst diska iekšējo reģionu iznīcināšanai.

Kaz ir Ziemeļrietumu universitātes Veinbergas Mākslas un zinātņu koledžas astronomijas maģistrantūras students un Astrofizikas Starpdisciplinārās izpētes un pētniecības centra (CIERA) loceklis. Kaz konsultēja papīra līdzautoru Aleksandru Čehovskoju, Veinbergas fizikas un astronomijas asociēto profesoru un CIERA biedru.

Maldīgi pieņēmumi

Akrecijas diski, kas ieskauj melnos caurumus, ir fiziski sarežģīti objekti, kas padara tos ļoti grūti modelējamus. Tradicionālā teorija ir cīnījusies, lai izskaidrotu, kāpēc šie diski spīd spilgti un pēc tam pēkšņi kļūst blāvi, dažkārt līdz pat pilnīgai izzušanai.

Iepriekšējie pētnieki ir nepareizi pieņēmuši, ka akrecijas diski ir samērā sakārtoti. Šajos modeļos gāzes un daļiņas griežas apkārt Melnais caurums – Tajā pašā plaknē ar melno caurumu un tajā pašā melnā cauruma rotācijas virzienā. Pēc tam simtiem līdz simtiem tūkstošu gadu laikā gāzes molekulas pakāpeniski spirālē iekļūst melnajā caurumā, lai to barotu.

“Kā gāze nonāk melnajā caurumā, lai to barotu, ir centrālais jautājums akrecijas diska fizikā. Ja zināt, kā tas notiek, tas jums pateiks, cik ilgi disks darbojas, cik tas ir spilgts un kādai gaismai vajadzētu izskatīties, kad tas notiek. mēs to novērojam ar teleskopiem.
-Niks Kaz, galvenais autors

“Jau desmitiem gadu cilvēki ir izdarījuši diezgan lielu pieņēmumu, ka akrecijas diski atbilst melnā cauruma rotācijai,” sacīja Kaz. “Bet gāze, kas baro šos melnos caurumus, ne vienmēr zina, kādā virzienā melnais caurums griežas, tāpēc kāpēc tas automātiski izlīdzinās? Izvietojuma maiņa radikāli maina attēlu.”

Pētnieku simulācija, kas ir viena no līdz šim augstākās izšķirtspējas akrecijas disku simulācijām, liecina, ka reģioni ap melno caurumu ir daudz haotiskākas un nemierīgākas vietas, nekā tika uzskatīts iepriekš.

Vairāk kā žiroskops, mazāk kā glezna

Izmantojot Summit, vienu no pasaulē lielākajiem superdatoriem, kas atrodas Oak Ridge National Laboratory, pētnieki veica 3-D vispārējo magnetohidrodinamisko (GRMHD) simulāciju plānam, slīpam akrecijas diskam. Lai gan iepriekšējās simulācijas nebija pietiekami izturīgas, lai ietvertu visu fiziku, kas nepieciešama reālistiska melnā cauruma izveidošanai, Northwestern vadītajā modelī ir iekļauta gāzes dinamika, magnētiskie lauki un vispārējā relativitāte, lai izveidotu pilnīgāku attēlu.

“Melnie caurumi ir ekstrēmi vispārīgi relatīvistiski objekti, kas ietekmē to apkārtējo laiku,” sacīja Kaz. “Tātad, kad tas griežas, tas kā milzīgs karuselis ievelk telpu ap to un piespiež to griezties — parādība, ko sauc par “kadra vilkšanu”. Tas rada patiešām spēcīgu efektu tuvu melnajam caurumam, kas kļūst arvien vājāks. tālāk prom.”

Rāmja vilkšana liek visam diskam šūpoties apļos, līdzīgi kā kustas žiroskops. Bet iekšējais disks vēlas ļodzīties daudz ātrāk nekā ārējās daļas. Šī spēku nesakritība izraisa visa diska deformāciju, izraisot gāzes no dažādām diska daļām sadursmi. Sadursmes rada spilgtus triecienus, kas spēcīgi spiež materiālu arvien tuvāk melnajam caurumam.

Tā kā vērpšanās kļūst stiprāka, akrecijas diska dziļākais apgabals turpina svārstīties ātrāk un ātrāk, līdz tas atdalās no pārējā diska. Pēc tam saskaņā ar jaunajām simulācijām apakšdiski sāk attīstīties neatkarīgi viens no otra. Tā vietā, lai vienmērīgi pārvietotos kopā kā plakana plāksne, kas ieskauj melno caurumu, apakšdiski šūpojas neatkarīgi dažādos ātrumos un leņķos kā žiroskopa riteņi.

“Kad iekšējais disks plīst, tas kustēsies pats,” sacīja Kaz. “Tas pārvietojas ātrāk, jo tas ir tuvāk melnajam caurumam un ir mazāks, tāpēc to ir vieglāk pārvietot.”

“Kur uzvar melnais caurums”

Saskaņā ar jauno simulāciju, pārrāvuma zona, kur atdalās iekšējie un ārējie apakšdiski, ir vieta, kur patiešām sākas barošanas neprāts. Kamēr berze mēģina noturēt disku kopā, telpas laika deformācija, ko rada rotējošais melnais caurums, vēlas to saplēst.

“Pastāv konkurence starp melnā cauruma rotāciju un berzi un spiedienu diska iekšpusē,” sacīja Kaz. “Prāšanas zona ir vieta, kur uzvar melnais caurums. Iekšējais un ārējais disks saduras viens ar otru. Ārējais disks nodzina iekšējā diska slāņus, virzot tos uz iekšu.

Tagad apakšdiski krustojas dažādos leņķos. Ārējais disks izlej materiālu pāri iekšējam diskam. Šī papildu masa arī nospiež iekšējo disku uz melno caurumu, kur to ēd. Pēc tam melnā cauruma gravitācija velk gāzi no ārējā apgabala uz tagad tukšo iekšējo reģionu, lai to uzpildītu.

Kvazāra kontakts

Šie straujie ēšanas, pildīšanas un ēšanas cikli, iespējams, izskaidro kvazāra tā saukto “mainīgo izskatu”, sacīja Kaz. Kvazāri ir ārkārtīgi gaismas objekti, kas izstaro 1000 reižu vairāk enerģijas nekā kopējā enerģija piena ceļš200 līdz 400 miljardi zvaigžņu. Kvazāri ar mainīgu izskatu tiek uzskatīti par ekstrēmākiem. Šķiet, ka tie ieslēdzas un izslēdzas vairāku mēnešu laikā, kas ir īss laika posms tipiskam kvazāram.

Lai gan klasiskā teorija izteica pieņēmumus par to, cik ātri akrecijas diski attīstās un mainās spilgtums, novērojumi par kvazāriem ar mainīgu izskatu liecina, ka tie patiesībā attīstās daudz ātrāk.

“Akrecijas diska iekšējais apgabals, no kura nāk lielākā daļa spilgtuma, var pilnībā izzust – ļoti ātri, dažu mēnešu laikā,” sacīja Kaz. “Mēs redzam, ka tā pilnībā pazūd. Sistēma pārstāj kļūt gaišāka. Pēc tam tā atkal iedegas, un process atkārtojas. Tradicionālā teorija nevar izskaidrot, kāpēc tā vispār pazuda, kā arī nepaskaidro, kā tā tik ātri piepildās.”

Jaunās simulācijas var ne tikai izskaidrot kvazārus, bet arī atbildēt uz pastāvīgiem jautājumiem par melno caurumu noslēpumaino dabu.

“Kā gāze nonāk melnajā caurumā, lai to barotu, ir galvenais jautājums akrecijas diska fizikā,” sacīja Kaz. “Ja jūs zinātu, kā tas notiek, tas jums pateiktu, cik ilgi disks darbojas, cik tas ir spilgts un kādai vajadzētu izskatīties gaismai, kad mēs to novērojam ar teleskopiem.”

Atsauce: “Sprauslu triecieni, diska plīsumi un straumes rada strauju uzkrāšanos plānu savītu disku 3D GRMHD simulācijās”, autori Nikolass Kazs, Metjū T. B. Liska, Džonatans Žakmins Īds, Zakarijs L. Andalmans, Džeboa Mosuki, Aleksandrs Čehovskojs un Olivers Boršovs , 2023. gada 20. septembris, Astrofizikas žurnāls.
doi: 10.3847/1538-4357/ace051

Pētījumu atbalstīja ASV Enerģētikas departaments un Nacionālais zinātnes fonds.