Впечатление художника о турбулентности в аккреционных дисках. На вставке показаны флуктуации магнитного поля, рассчитанные с помощью моделирования этого исследования. Фото предоставлено: Ёхей Кавазура
Исследователи из Университета Тохоку и Университета Уцуномия совершили прорыв в понимании сложной природы турбулентности в так называемых аккреционных дисках вокруг черных дыр. Используя современные суперкомпьютеры, они провели моделирование с самым высоким на сегодняшний день разрешением.
Аккреционный диск, как следует из названия, представляет собой дискообразный газ, который движется по спирали внутрь к центральной черной дыре.
Существует большой интерес к изучению уникальных и экстремальных свойств черных дыр. Однако черные дыры не пропускают свет, и поэтому их нельзя увидеть напрямую в телескопы.
Чтобы изучать и исследовать черные дыры, мы вместо этого изучаем, как они влияют на свое окружение. Аккреционные диски — это способ косвенного наблюдения за эффектами черных дыр, поскольку они излучают электромагнитное излучение, видимое в телескопы.
«Точное моделирование поведения аккреционных дисков вносит значительный вклад в наше понимание физических явлений, окружающих черные дыры», — объясняет Йохей Кавазура. «Это дает важную информацию для интерпретации данных наблюдений телескопа Event Horizon».
Исследователи использовали суперкомпьютеры, такие как Fugaku от RIKEN (самый быстрый компьютер в мире к 2022 году) и ATERUI II от NAOJ, для запуска моделирования с беспрецедентно высоким разрешением.
Исследование было опубликовано 28 августа 2024 года в журнале Science Advances.
Пространственные структуры магнитовращательной турбулентности в аккреционном диске (моделированные). (A) показывает поток, а (B) показывает напряженность магнитного поля. Белые линии представляют собой типичные линии магнитного поля. Фото: Ёхей Кавазура; из журнала «Прогресс науки» (2024 г.). DOI: 10.1126/sciadv.adp4965.
Хотя ранее уже проводилось численное моделирование аккреционных дисков, ни одно из них не смогло наблюдать инерционную область из-за нехватки вычислительных ресурсов. Это исследование было первым, в котором удалось успешно воспроизвести «область инерции», соединяющую большие и малые вихри в турбулентности аккреционного диска.
Также было установлено, что в этой области преобладают «медленные магнитозвуковые волны». Это открытие объясняет, почему ионы в аккреционных дисках избирательно нагреваются. Турбулентные электромагнитные поля в аккреционных дисках взаимодействуют с заряженными частицами, потенциально ускоряя некоторые из них до чрезвычайно высоких энергий.
В магнитной гидродинамике основные типы волн образуют магнитозвуковые волны (медленные и быстрые) и альфвеновские волны. Было обнаружено, что медленные магнитозвуковые волны доминируют в инерционной области и несут примерно вдвое большую энергию, чем альфвеновские волны. Исследование также подчеркивает фундаментальное различие между турбулентностью аккреционного диска и турбулентностью солнечного ветра, где доминируют альфвеновские волны.
Это достижение призвано улучшить физическую интерпретацию данных наблюдений с радиотелескопов, нацеленных на области вблизи черных дыр.
Информация от: Университетом Тохоку
