Вычислительная астрофизика достигла исторического рубежа: международная команда учёных представила самую детальную и полную на сегодняшний день модель того, как чёрные дыры поглощают окружающее вещество и испускают интенсивное излучение. Это первый случай, когда расчёты были проведены в рамках полной общей теории относительности Эйнштейна с учётом доминирующей роли излучения, без упрощающих предположений, что открывает новое окно в понимание поведения этих загадочных объектов в экстремальных условиях.
Исследование, опубликованное в журнале The Astrophysical Journal, было проведено учёными из Института перспективных исследований и Центра вычислительной астрофизики Института Флэтайрон. Для решения невероятно сложных уравнений, описывающих эти процессы, команда разработала новые алгоритмы и использовала одни из самых мощных суперкомпьютеров в мире, что позволило им впервые провести расчёты с беспрецедентной точностью.
«Впервые мы смогли увидеть, что происходит, когда в модели точно учтены самые важные физические процессы аккреции на чёрную дыру», — заявил ведущий автор работы Личжун Чжан. Он подчеркнул, что эти системы крайне нелинейны, и любое упрощение может полностью исказить результат. По его словам, самое захватывающее — это то, что их симуляции теперь воспроизводят поведение, удивительно согласующееся с наблюдениями реальных объектов, от ультраярких рентгеновских источников до рентгеновских двойных систем. Ультраяркие рентгеновские источники представляют собой экстремально яркие системы, чья светимость превышает теоретический предел Эддингтона для обычных чёрных дыр звёздной массы. В отличие от обычных рентгеновских двойных, они могут быть связаны с чёрными дырами промежуточной массы или со сверхкритической аккрецией, когда вещество падает так быстро, что формирует мощные ветра и излучение.
Любая реалистичная модель чёрной дыры должна включать общую теорию относительности, поскольку чудовищная гравитация этих объектов искривляет пространство и время. Однако одной гравитации недостаточно: когда огромные массы вещества падают на чёрную дыру, высвобождается колоссальная энергия в форме излучения. Точный учёт того, как это излучение движется в искривлённом пространстве-времени и взаимодействует с газом, критически важен, но до сих пор симуляции не могли полностью справиться с этой комбинацией эффектов.
Предыдущие подходы полагались на допущения, которые делали расчёты выполнимыми, но неполными. «Старые методы использовали приближения, которые рассматривали излучение как своеобразную жидкость, что не отражает его реального поведения», — пояснил Чжан. Его команде удалось создать уникальный алгоритм, который решает уравнения напрямую, без подобных упрощений, что стало ключевым прорывом.
В данном исследовании учёные сосредоточились на чёрных дырах звёздной массы, которые примерно в 10 раз тяжелее Солнца. Несмотря на меньшие размеры по сравнению со сверхмассивными чёрными дырами вроде Стрельца А*, они эволюционируют за минуты и часы, а не столетия, что позволяет наблюдать быстрые изменения в реальном времени. Модель показала, как вещество, закручиваясь, формирует турбулентные, заполненные излучением диски вокруг чёрной дыры, а также мощные исходящие ветра и, в некоторых случаях, релятивистские струи (джеты). Эти джеты формируются благодаря взаимодействию магнитных полей и быстрого вращения аккреционного диска или чёрной дыры, которые ускоряют заряженные частицы вдоль оси вращения. Излучение, особенно в рентгеновском диапазоне, создаёт давление, помогая выталкивать вещество, усиливать джеты и способствовать их коллимации в узкие пучки.
Критически важно, что спектры излучения, полученные в симуляциях, близко соответствуют тому, что астрономы наблюдают у реальных систем. Это позволяет делать более уверенные выводы из ограниченных наблюдательных данных. Команда планирует проверить, можно ли применить их подход ко всем типам чёрных дыр, и продолжит совершенствовать модель, чтобы понять всю новую науку, которая из неё проистекает.
Источник: This simulation reveals what really happens near black holes