Астрофізики збільшили швидкість поглинання матерії чорними дірами

Аномально швидка зміна яскравості деяких квазарів довгий час не давала спокою вченим. Наявні моделі не могли пояснити таку мінливість найпотужніших джерел випромінювання у Всесвіті. Щоб розібратися в цьому парадоксі, американські астрофізики змоделювали “харчову поведінку” надмасивних чорних дір із безпрецедентною деталізацією.

Класична вистава акреційного диска чорної діри знайома кожному любителю астрономії. Візуалізація в стилі «Інтерстеллара» дещо модифікувала цей образ, але нічого не змінилося.

Є дуже багато речовини, вона збирається порівняно тонкий диск і повільно падає на чорну дірку. Чим ближче до горизонту подій — тим вища швидкість руху матерії, частіше зіткнення та інші взаємодії, вища температура. Отже, випромінювання інтенсивніше.

Особливо великі чорні діри здатні зібрати так багато речовини, що внутрішні регіони акреційного диска сяють тисячократно яскравіше за всіх зірок у навколишній галактиці, разом узятих. Однак навіть найбільш яскраві та масивні об’єкти описуються моделями, в яких процеси, що протікають в акреційному диску, розвиваються повільно. Матерія, що знаходиться на межі небуття, робить безліч обертів навколо чорної дірки, перш ніж пропаде остаточно.

Більшість існуючих моделей чорної діри не допускають будь-яких швидкоплинних подій. Астрономічні спостереження загалом таку картину світу підтверджують. Але є винятки.

Частина квазарів – екстремально яскравих активних центрів галактик – поводиться не зовсім так. Деякі з них радикально змінюють свою яскравість за лічені місяці чи навіть тижні, чого не має відбуватися. Чи не може вся внутрішня частина акреційного диска раптово зникнути?

Астрофізики з Північно-Західного університету ( NU ), США, знайшли пояснення подібним явищам. Для цього їм потрібно було об’єднати в єдиний комплекс одразу кілька моделей. В результаті одночасно враховували ефекти Загальної теорії відносності, газодинаміки та магнітної гідродинаміки. Щоб обрахувати таку модель з безпрецедентною роздільною здатністю, застосували суперкомп’ютер Summit (п’ятий рядок у TOP500 ).

Крім високої деталізації своєї симуляції, американські дослідники додали до неї ще одне нововведення. Справа в тому, що раніше моделювання акреційних дисків передбачало їхнє спрямоване обертання з чорною діркою. У новій симуляції вісь та напрямок обертання чорної дірки не збігаються з віссю та напрямком обертання акреційного диска. Адже падаюча матерія не повинна знати, куди крутиться надмасивний об’єкт, що притягує її.

Результатом стали дивовижні ефекти. Внутрішня частина акреційного диска розбилася на кілька менших кілець, що прецесують та розриваються на частини ударними хвилями. Через це швидкість поглинання речовини чорною діркою зросла у рази. Той обсяг, який вона мала «з’їсти» за століття, пропадав лише за кілька місяців.

І внутрішня, найяскравіша частина акреційного диска швидко зникала. Звільнене місце займала матерія, що обертається далі, і процес повторювався. Дуже схоже на нерегулярну яскравість деяких квазарів.

Дослідження американських астрофізиків наочно показало, яку велику роль сучасної науці грає доступність великих обчислювальних потужностей. Широко використовувані вченими моделі чорних дірок, які не могли показати таку їхню поведінку, — непогані. Вони недостатньо деталізовані, щоб описати будь-які приклади, крім найпростіших і найпоширеніших. І щоб об’єднати кілька таких моделей на повну картину, потрібні найбільш продуктивні суперкомп’ютери у світі.

Нова симуляція не використовувала жодних радикально нових даних чи моделей. Розрив внутрішніх частин акреційного диска пояснюється давно відомим ефектом Лензе – Тіррінга: надмасивні чорні, дірки обертаючись, захоплюють за собою простір-час навколо – це називається захопленням інерційних систем відліку ( frame-dragging ).

Коли матерія, що обертається навколо чорної діри, зустрічає на своєму шляху такі обурення простору-часу, вони передають їй додаткову енергію. Через це речовина змінює свою траєкторію і формує субдиски, що прецесують як дзиги.

Як тільки їх напруга досягає певної межі, матерія збивається в щільніші згустки, що ще швидше падають на чорну дірку. Доповнюють картину зіткнення внутрішнього та зовнішнього субдисків: їх утворюється кілька, прецесують вони з різною швидкістю і розриваються також одночасно. Це ще раз прискорює падіння матерії на чорну дірку.

Наукова робота з описом моделювання та результатами його аналізу опублікована в журналі The Astrophysical Journa l, що рецензується. Її значення ще належить оцінити. Але потенційно праця фахівців із Північно-Західного університету здатна здорово скоригувати загальне розуміння швидкості еволюції чорних дірок у Всесвіті.

Якщо вони здатні “їсти” набагато швидше, ніж раніше вважалося, то і галактики з надмасивними чорними дірками в центрі могли з’явитися раніше.