В центре больших галактик, таких как наш Млечный Путь, находится сверхмассивная черная дыра (СМЧД). Эти чудовища притягивают к себе звезды, газ и пыль своим непреодолимым гравитационным притяжением. Когда они поглощают этот материал, происходит яркая вспышка энергии, самыми яркими из которых являются квазары.
Хотя астрофизики считают, что сверхмассивные черные дыры питаются слишком медленно, чтобы вызвать образование определенного типа квазаров, новые исследования показывают обратное.
Исследование опубликовано в «Астрофизическом журнале» под названием «Удары сопел, разрыв диска и стримеры способствуют быстрому аккреции в 3D-GRMHD-моделировании искривленных тонких дисков». Ведущий автор — Ник Кааз, аспирант астрономии Северо-Западного университета.
Новое исследование основано на компьютерном моделировании, называемом трехмерным моделированием общей релятивистской магнитогидродинамики (GRMHD). Мощный суперкомпьютер Summit, один из самых быстрых компьютеров в мире и сам по себе 340-тонный гигант, проводил моделирование в Национальной лаборатории Ок-Ридж.
«Похоже, что внутренняя часть диска, откуда исходит большая часть света, разрушается, а затем восполняется».
Ник Кааз, ведущий автор Северо-Западного университета
Когда СМЧД притягивают материал к себе, он не падает прямо в дыру. Вместо этого он образует аккреционный диск, вращающийся диск газа и пыли. Вращающийся диск материала нагревается и выделяет электромагнитную энергию, которую мы можем увидеть в разные телескопы, когда он падает в черную дыру. Когда они очень яркие, их называют квазарами.
Но эти диски очень сложны для изучения. Они чрезвычайно сложны. Иногда они ярко вспыхивают, а затем внезапно тускнеют, всего за несколько месяцев, что является чрезвычайно коротким периодом времени для астрофизического объекта. Современная теория не может этого объяснить.
Новое моделирование показывает, что сверхмассивные черные дыры питаются быстрее, чем предполагалось. Встреча диска и дыры носит резкий характер и разрывает водоворот газа на две части: внутренний субдиск и внешний субдиск.
SMBH сначала использует внутренний поддиск. Черной дыре требуется всего несколько месяцев, чтобы поглотить это внутреннее кольцо вращающейся пыли, и при этом она высвобождает огромное количество энергии в виде квазара. Затем материал внешнего диска перемещается внутрь, образуя новый внутренний диск, и весь процесс повторяется.
Если моделирование верно и этот цикл «поедание, пополнение, поедание» занимает всего несколько месяцев, а не сотен лет, то это может объяснить некоторые наблюдаемые квазары, которые длятся всего несколько месяцев. Существуют разные типы квазаров, и астрофизики изо всех сил пытались объяснить то, что они называют квазарами с «меняющимся внешним видом». До 50% наблюдаемых квазаров меняют внешний вид, и эти результаты, кажется, объясняют это.
«Классическая теория аккреционного диска предсказывает, что диск эволюционирует медленно», — сказал Ник Кааз из Northwestern, возглавлявший исследование. «Но некоторые квазары, возникающие в результате того, что черные дыры поедают газ из своих аккреционных дисков, по-видимому, радикально изменяются с течением времени от месяцев до лет. Это изменение настолько радикально. Похоже, что внутренняя часть диска, откуда исходит большая часть света, разрушается, а затем восполняется».
Это сильно отличается от того, как классическая теория описывает аккреционные диски черных дыр. Согласно существующей теории, материя вблизи черной дыры образует довольно предсказуемый диск, горячий, яркий и вращающийся так же, как и черная дыра. Но это не может объяснить изменение внешнего вида квазаров.
«Классическая теория аккреционного диска не может объяснить такое резкое изменение. Но явления, которые мы наблюдаем в наших симуляциях, потенциально могут объяснить это. Быстрое прояснение и затемнение соответствуют разрушению внутренних областей диска».
Черные дыры — мощные, сложные и трудные для изучения объекты. Согласно общей теории относительности Эйнштейна, они буквально искажают пространство-время вокруг себя, а это означает, что мы можем выбросить наши интуитивные идеи в окно.
«Поэтому, когда они вращаются, они тянут пространство вокруг себя, как гигантская карусель, и заставляют его тоже вращаться — явление, называемое «перетаскиванием кадра», — сказал Кааз. «Это создает действительно сильный эффект вблизи черной дыры, который становится все слабее по мере удаления от нее».
Именно это позволяет SMBH отрывать внутренний диск от внешнего и поглощать его. Релятивистское перетаскивание системы отсчета заставляет весь диск раскачиваться при вращении, но поскольку внутренние области подвергаются более сильному воздействию, они и колеблются сильнее. «Когда внутренний диск отрывается, он прецессирует независимо», — сказал Кааз. «Она прецессирует быстрее, потому что она ближе к черной дыре и потому что она маленькая, поэтому ее легче перемещать».
Силы в диске несогласованы, и это деформирует весь диск. Согласно моделированию Summit, газ из разных частей диска сталкивается и создает яркие толчки. Эти толчки направляют еще больше материала к черной дыре.
Когда диск разрывается на две части, он также создает то, что исследователи называют стримерами. Эти стримеры падают на внутренний поддиск с обеих сторон. Это приводит к дальнейшей аккреции во внутренний диск, увеличивая размер еды черной дыры. «После их столкновения часть материала стримеров «переливается» на внутренний субдиск», — пишет команда в своей статье.
Это сильно отличается от более классического понимания черных дыр. С этой точки зрения единый диск СМЧД движется предсказуемо, и вещество иногда падает в черную дыру. Но эти симуляции показывают, что в этом процессе нет ничего умиротворяющего. Мощные силы природы вблизи черной дыры разрывают диск на две части, и они начинают раскачиваться независимо, вызывая толчки и стримеры, которые еще больше усложняют процесс.
Это битва между огромной гравитацией черной дыры и искривлением пространства-времени и энергией вращающегося диска. Черная дыра всегда побеждает, и именно это разрывает диск на части. Область, где происходит разрыв, имеет решающее значение. «В области разрыва черная дыра побеждает. Внутренний и внешний диски сталкиваются друг с другом. Внешний диск срезает слои внутреннего диска, толкая его внутрь».
Внутренний и внешний диски смещены, и это еще больше усложняет ситуацию. Они пересекаются под разными углами, и внешний диск выливает материал на вершину внутреннего диска. Увеличение массы помогает подтолкнуть внутренний диск к черной дыре, ускоряя ее поглощение. Когда внутренний диск исчезает в отверстии, его место занимает материал внешнего диска и снова заполняет внутренний диск.
«Внутренняя область аккреционного диска, откуда исходит большая часть яркости, может полностью исчезнуть — очень быстро, в течение нескольких месяцев», — сказал Кааз. «По сути, мы видим, что это полностью исчезает. Система перестает быть яркой. Затем он снова светлеет, и процесс повторяется. Традиционная теория не может объяснить, почему он вообще исчезает, и она не объясняет, как он так быстро восполняется».
Но если эта симуляция верна, теперь мы знаем, что происходит. Это также проливает больше света на черные дыры в целом, а не только на квазары.
Хотите верьте, хотите нет, но астрофизики до сих пор не знают, как именно газ попадает из аккреционного диска в черную дыру. Кааз называет это «центральным вопросом физики аккреционных дисков». Но это исследование приближается к этому очень важному ответу в астрофизике.
«Если вы знаете, как это происходит», — сказал Кааз, — «это скажет вам, как долго существует диск, насколько он яркий и как должен выглядеть свет, когда мы наблюдаем его в телескопы».
