Групі астрофізиків під керівництвом науковців з Каліфорнійського технологічного інституту вперше вдалося змоделювати рух первісного газу в ранньому Всесвіті до стадії, на якій він потрапляє в диск речовини, що живить одну надмасивну чорну діру. Нове комп’ютерне моделювання перевертає уявлення астрономів про такі диски, сформоване з початку 1970-х років, і прокладає шлях для нових відкриттів про те, як чорні діри та галактики ростуть і еволюціонують.

«Наше нове моделювання знаменує собою кульмінацію кількох років роботи двох великих спільних проєктів, розпочатих тут, у Каліфорнійському технологічному інституті», — сказав Філ Гопкінс (Phil Hopkins), професор теоретичної астрофізики Айри Спрейг Боуена (Ira S. Bowen).

Перша співпраця під назвою FIRE (Feedback in Realistic Environments) була зосереджена на більших масштабах Всесвіту, вивчаючи такі питання, як формування галактик і що відбувається, коли галактики стикаються. Інший проєкт, який отримав назву STARFORGE, був розроблений для дослідження значно менших масштабів, зокрема того, як зорі утворюються в окремих хмарах газу.

«Але між ними був великий розрив», — пояснив Гопкінс. «Тепер ми вперше подолали цей розрив».

Для цього дослідникам довелося створити симуляцію з роздільною здатністю, яка у понад 1000 разів перевищує попередні найкращі результати в цій галузі.

На подив наукової групи, як повідомляє The Open Journal of Astrophysics, симуляція показала, що магнітні поля відіграють набагато суттєвішу роль, ніж астрономии досі вважали, у появі та структуруванні величезних дисків речовини, що обертаються навколо надмасивних чорних дір та живлять їх.

«Теорії вказували нам, що диски мають бути плоскими, як млинці», — зазначив Гопкінс. «Але ми знали, що це неправильно, бо астрономічні спостереження показують: диски насправді пухнасті — більше схожі на янгольський бісквіт. Наше моделювання допомогло нам зрозуміти, що магнітні поля підтримують речовину диска, роблячи його пухнастим».

Авторські права на відео: Каліфорнійський технологічний інститут (California Institute of Technology).

Візуалізація активності навколо надмасивних чорних дір за допомогою «суперзбільшень»

У новому моделюванні дослідники виконали те, що вони називають «суперзбільшенням» однієї надмасивної чорної діри, жахливого об’єкта, який лежить у серці багатьох галактик, зокрема й в нашому Молочному Шляху. Ці ненажерливі таємничі тіла містять масу, яка в тисячі до мільярдів разів перевищує масу Сонця, і тому чинять величезний вплив на все, що наближається до них.

Астрономи десятиліттями знали, що коли газ і пил притягуються величезною силою тяжіння цих чорних дір, вони не поглинають речовину відразу. Натомість речовина спочатку утворює диск зі швидким обертанням, який називають акреційним диском. І коли речовина ось-ось впаде в чорну діру, диск випромінює величезну кількість енергії, що спричиняє блиск, незрівнянний ні з чим у Всесвіті. Але багато чого ще невідомо про ці активні надмасивні чорні діри, які в астрономії називають квазарами, і про те, як утворюються та поводяться диски, що їх живлять.

Хоча зображення дисків навколо надмасивних чорних дір були отримані раніше — Event Horizon Telescope (Телескоп горизонту подій) дав змогу отримати у 2022 та 2019 роках зображення дисків, що обертаються навколо чорних дір у серці нашої галактики та Мессьє 87. Але ці диски набагато ближчі та «спокійніші», ніж ті, що обертаються навколо квазарів.

Щоб візуалізувати те, що відбувається навколо цих більш активних і віддалених чорних дір, астрофізики вдаються до суперкомп’ютерного моделювання. Вони передають інформацію про фізику, яка діє в цих галактичних умовах, — усе, починаючи від базових рівнянь, які описують гравітацію, і закінчують тим, як враховувати темну матерію та зорі — в тисячі обчислювальних процесорів, які працюють паралельно.

Ці вхідні дані містять багато алгоритмів або рядків інструкцій, за якими комп’ютери мають слідувати, щоб відтворити складні явища. Так, наприклад, алгоритм вказує комп’ютеру, що коли газ стає достатньо щільним, утворюється зоря. Але процес не такий простий.

«Якщо ви просто скажете, що гравітація тягне все докупи, а потім газ утворює зорю, а зорі просто накопичуються, ви все зрозумієте дуже неправильно», — пояснив Гопкінс.

Зрештою, зорі роблять багато речей, які впливають на їх оточення. Вони випромінюють енергію, яка може нагрівати або штовхати навколишній газ. Від них дмуть вітри, як сонячний вітер, створений Сонцем, що може змушувати речовину рухатися. Окремі зорі вибухають як наднові, що іноді приводить до викидів речовини із галактик або спричиняє зміну хімічного складу міжзоряного середовища поблизу них. Отже, комп’ютери також «повинні знати» всі тонкощі цього «зоряного зворотного зв’язку», адже він регулює, скільки зір насправді може утворитися в галактиці.

Створення моделювання, яке охоплює кілька масштабів

Але в більших просторових масштабах набір фізичних елементів, що є найважливішими для створення комп’ютерної моделі, як і те, які наближення можна зробити для обчислень, відрізняються від таких у менших масштабах. Наприклад, у галактичному масштабі складні подробиці того, як поводяться атоми та молекули, є надзвичайно важливими і мають бути взяті до уваги в будь-якому моделюванні. Проте науковці погоджуються, що коли моделювання зосереджено на найближчій зоні навколо чорної діри, молекулярну хімію можна здебільшого ігнорувати, бо газ там занадто гарячий для існування атомів і молекул. Замість нього існує гаряча іонізована плазма.

Створення симуляції, яка могла б охопити всі відповідні масштаби аж до рівня одного акреційного диска навколо надмасивної чорної діри, було величезним обчислювальним завданням. Воно також потребувало коду, який би враховував усю потрібну фізику.

«Були деякі коди, які містили фізику, потрібну для вирішення маломасштабної частини проблеми, і деякі коди, що мали фізику, яку треба врахувати для вирішення більшої, космологічної частини проблеми, але не було таких, які б описували обидві», заявив Гопкінс.

Кадр із симуляції, що показує клубок галактик, які зливаються. Авторські права на зображення: Caltech/Phil Hopkins group. Фото з сайту https://phys.org.

Наукова група під керівництвом дослідників з Каліфорнійського технологічного інституту використовувала код, який вони називають GIZMO, як для великих, так і для малих проєктів моделювання. Важливо те, що вони створили проєкт FIRE так, щоб уся фізика, яку вони до нього додали, могла працювати з проєктом STARFORGE, і навпаки.

«Ми побудували код дуже модульним способом, щоб ви могли вмикати та вимикати будь-які фізичні частини, які вам потрібні для певного завдання, але всі вони були перехресно сумісні», — сказав Гопкінс.

Це дало змогу науковцям змоделювати, починаючи з раннього Всесвіту, чорну діру, яка приблизно в 10 мільйонів разів перевищує масу Сонця. Потім симуляція наближає цю чорну діру в той момент, коли гігантський потік речовини відривається від хмари газу, що утворює зорі, й починає обертатися навколо надмасивної чорної діри. Симуляція дає змогу збільшувати масштаб, показуючи докладніше район довкола чорної діри на кожному кроці, коли вона відслідковує газ на шляху до чорної діри.

Несподівано пухнасті, магнітні диски

«У нашому моделюванні ми бачимо цей акреційний диск, який утворюється навколо чорної діри», — каже Гопкінс. «Ми були б дуже схвильовані, якби щойно побачили цей акреційний диск, але дуже здивувало те, що симульований диск має не такий вигляд, як ми гадали десятиліттями».

У двох основоположних статтях 1970-х років, які описували акреційні диски, що живлять надмасивні чорні діри, вчені припустили, що тиск тепла — зміна тиску, спричинена зміною температури газу в дисках — відіграє головну роль у запобіганні колапсу таких дисків під впливом величезної сили тяжіння, яку вони відчувають поблизу чорної діри. Тоді вчені визнали, що магнітні поля можуть відігравати незначну роль у зміцненні дисків.

Навпаки, нове моделювання показало, що тиск від магнітних полів таких дисків насправді в 10 000 разів перевищує тиск від тепла газу.

«Отже, магнітні поля майже повністю контролюють диски», — сказав Гопкінс. «Магнітні поля виконують багато функцій, одна з яких полягає в тому, щоб підтримувати диски та робити матеріал пухким».

Це уявлення змінює безліч прогнозів, які науковці можуть зробити щодо таких акреційних дисків, наприклад, їхню масу, те, якими щільними та товстими вони мають бути, як швидко речовина буде рухатися з них у чорну діру, і навіть їхню геометрію (наприклад, чи можуть диски бути однобокими).

Заглядаючи вперед, Гопкінс сподівається, що ця нова здатність подолати розрив у масштабах космологічного моделювання відкриє багато нових шляхів дослідження. Наприклад, що відбувається в деталях, коли дві галактики зливаються? Які типи зір утворюються в щільних районах галактик, де умови не схожі на умови поблизу Сонця? Який вигляд могло мати перше покоління зір у Всесвіті?

«Там ще так багато потрібно зробити», — зауважив він.

За інф. з сайту https://phys.org