На этом неподвижном изображении, полученном при моделировании, показана сверхмассивная черная дыра, или квазар, окруженная вращающимся диском материи, называемым аккреционным диском. Фото предоставлено: Калифорнийский технологический институт/Phil Hopkins Group
Группе астрофизиков под руководством Калифорнийского технологического института впервые удалось смоделировать путешествие первичного газа из ранней Вселенной до стадии, когда он захватывается диском материи, питающей одну сверхмассивную черную дыру. Новое компьютерное моделирование переворачивает с ног на голову представления о таких дисках, которые преобладали с 1970-х годов, и открывает путь к новому пониманию того, как растут и развиваются черные дыры и галактики.
«Наша новая симуляция представляет собой кульминацию нескольких лет работы двух крупных коллабораций, которые начались здесь, в Калифорнийском технологическом институте», — говорит Фил Хопкинс, профессор теоретической астрофизики Айры С. Боуэн.
Первое сотрудничество под названием FIRE (Обратная связь в реалистичной среде) было сосредоточено на более крупных масштабах Вселенной, исследуя такие вопросы, как формирование галактик и что происходит при их столкновении. Другой, STARFORGE, был разработан для изучения гораздо меньших масштабов, в том числе того, как звезды формируются в отдельных газовых облаках.
«Но между ними был большой разрыв», — объясняет Хопкинс. «Теперь мы впервые преодолели этот разрыв».
Для этого исследователям пришлось создать симуляцию с разрешением более чем в 1000 раз превышающим предыдущие лучшие модели в этой области.
К удивлению команды, как сообщается в Открытом журнале астрофизики, моделирование показало, что магнитные поля играют гораздо большую роль, чем считалось ранее, в формировании гигантских дисков материала, которые вращаются вокруг и питают сверхмассивные черные дыры.
«Наши теории говорили нам, что ломтики должны быть плоскими, как блины», — говорит Хопкинс. «Но мы знали, что это неправда, потому что астрономические наблюдения показали, что диски на самом деле пушистые, больше похожие на бисквит. Наше моделирование помогло нам понять, что магнитные поля поддерживают материал диска и делают его более рыхлым».
Визуализация активности вокруг сверхмассивных черных дыр с помощью «супермасштабирования»
В новом моделировании исследователи применили так называемый «суперзум» к одной сверхмассивной черной дыре, чудовищному объекту, который находится в центре многих галактик, включая наш Млечный Путь. Эти прожорливые, загадочные тела имеют массу в тысячи-миллиарды раз большую, чем Солнце, и поэтому оказывают огромное влияние на все, что приближается к ним.
Астрономам уже несколько десятилетий известно, что газ и пыль, притягиваемые огромной гравитацией этих черных дыр, не засасываются сразу. Вместо этого материал первоначально образует быстро вращающийся диск, называемый аккреционным диском. И непосредственно перед падением материал излучает огромное количество энергии и сияет с яркостью, не имеющей аналогов во Вселенной. Однако многое еще неизвестно об этих активных сверхмассивных черных дырах, называемых квазарами, и о том, как формируются и ведут себя питающие их диски.
Хотя о дисках вокруг сверхмассивных черных дыр сообщалось и раньше: телескоп Event Horizon запечатлел диски, вращающиеся вокруг черных дыр в центре нашей галактики в 2022 году, и диски вокруг Мессье 87 в 2019 году. Однако эти диски гораздо ближе и мягче, чем те, которые вращаются вокруг квазаров.
Чтобы визуализировать то, что происходит вокруг этих более активных и далеких черных дыр, астрофизики обращаются к суперкомпьютерному моделированию. Они снабжают тысячи вычислительных процессоров, работающих параллельно, информацией о физических процессах в этих галактических средах — от фундаментальных уравнений, управляющих гравитацией, до рассмотрения темной материи и звезд.
Этот ввод содержит множество алгоритмов или наборов инструкций, которым компьютеры должны следовать, чтобы воссоздать сложные явления. Например, компьютеры знают, что звезда сформируется, как только газ станет достаточно плотным. Но этот процесс не так прост.
«Если вы просто говорите, что гравитация тянет все вниз, а затем в конечном итоге газ образует звезду, а звезды просто накапливаются, вы совершенно ошибаетесь», — объясняет Хопкинс.
Ведь у звезд есть много вещей, которые влияют на их окружение. Они излучают излучение, которое может нагревать или вытеснять окружающий газ. Они создают ветры, подобные солнечному ветру, порождаемому нашим Солнцем, которое может уносить с собой материал. Они взрываются как сверхновые, иногда выбрасывая материал из галактик или изменяя химический состав их окружения. Таким образом, компьютерам также необходимо знать все детали этой «звездной обратной связи», поскольку она определяет, сколько звезд на самом деле может образовать галактика.
Создайте симуляцию, охватывающую несколько масштабов.
Но в этих более крупных масштабах физика, которая имеет наибольшее значение, и приближения, которые можно сделать, отличаются от меньших масштабов. Например, в галактическом масштабе сложные детали поведения атомов и молекул чрезвычайно важны и должны быть включены в любое моделирование. Но ученые сходятся во мнении, что, когда моделирование фокусируется на более непосредственной области вокруг черной дыры, молекулярную химию можно в значительной степени игнорировать, поскольку газ там слишком горячий для существования атомов и молекул. Вместо этого там существует горячая ионизированная плазма.
Создание моделирования, которое могло бы охватить все соответствующие масштабы вплоть до уровня одного аккреционного диска вокруг сверхмассивной черной дыры, было огромной вычислительной задачей, а также требовало кода, который мог бы справиться со всей физикой.
«Были некоторые коды, которые содержали физические законы, необходимые для решения мелкомасштабной части проблемы, и некоторые коды, которые содержали физические законы, необходимые для решения более крупной, космологической части проблемы, но не было такого, который имел бы и то, и другое», говорит Хопкинс.
Более раннее неподвижное изображение, полученное при моделировании, показывает клубок сливающихся галактик. Фото предоставлено: Калифорнийский технологический институт/Phil Hopkins Group
Команда под руководством Калифорнийского технологического института использовала код под названием GIZMO для крупномасштабных и мелкомасштабных проектов моделирования. Важным было то, что они построили проект FIRE так, чтобы вся физика, которую они в него вложили, могла работать с проектом STARFORGE и наоборот.
«Мы сделали его очень модульным, чтобы вы могли включать и выключать все физические элементы, которые вам нужны для решения конкретной задачи, но все они были совместимы друг с другом», — говорит Хопкинс.
Это позволило ученым в своей последней работе смоделировать черную дыру примерно в 10 миллионов раз больше нашего Солнца, начиная с ранней Вселенной. Затем моделирование приближается к этой черной дыре в тот момент, когда огромный поток материала вырывается из облака звездообразующего газа и начинает кружиться вокруг сверхмассивной черной дыры. Моделирование может увеличиваться дальше, разрешая с каждым шагом более мелкую область, которая следует за газом на пути к отверстию.
Удивительно пушистые магнитные диски
«В нашей модели мы видим, как аккреционный диск формируется вокруг черной дыры», — говорит Хопкинс. «Мы были бы очень рады, если бы просто увидели этот аккреционный диск, но что нас действительно удивило, так это то, что смоделированный диск не выглядит так, как мы представляли себе на протяжении десятилетий».
В двух основополагающих статьях 1970-х годов, в которых описывались аккреционные диски, питающие сверхмассивные черные дыры, ученые предположили, что тепловое давление — изменение давления из-за изменения температуры газа в дисках — сыграло главную роль в предотвращении их появления. такие диски коллапсируют под действием огромной гравитации, которой они подвергаются вблизи черной дыры. Они признали, что магнитные поля могут играть незначительную роль в стабилизации дисков.
Напротив, новое моделирование показало, что давление, создаваемое магнитными полями таких дисков, на самом деле в 10 000 раз превышает давление, создаваемое теплом газа.
«Таким образом, диски почти полностью контролируются магнитными полями», — говорит Хопкинс. «Магнитные поля выполняют множество функций, одна из которых — поддерживать диски и делать материал громоздким».
Это открытие меняет множество прогнозов, которые ученые могут сделать в отношении таких аккреционных дисков, таких как их масса, плотность и толщина, скорость, с которой материал из них может перейти в черную дыру, и даже их геометрия (например, могут ли диски быть кривым).
Хопкинс надеется, что эта новая способность сократить разрыв в масштабах космологического моделирования откроет множество новых направлений исследований в будущем. Например, что происходит в деталях, когда две галактики сливаются? Какие типы звезд образуются в плотных областях галактик, где условия отличаются от условий в окрестностях нашего Солнца? Как могло выглядеть первое поколение звезд во Вселенной?
«Надо так много всего сделать», — говорит он.
Информация от: Калифорнийским технологическим институтом.
