|
Черные дыры растворяются быстрее, чем ожидалось
|
|
|
|
Новое исследование, проведенное Северо-Западным университетом, меняет представление астрофизиков о пищевых привычках сверхмассивных черных дыр. В то время как предыдущие исследователи предполагали, что черные дыры питаются медленно, новые модели показывают, что черные дыры поглощают пищу гораздо быстрее, чем предполагает общепринятое понимание. Исследование под названием «Удары сопел, разрывы дисков и стримеры способствуют быстрой аккреции в 3D-GRMHD-моделировании искривленных тонких дисков» опубликовано в The Astrophysical Journal. Согласно новому 3D-моделированию с высоким разрешением, вращающиеся черные дыры искажают окружающее пространство-время, в конечном итоге разрывая жестокий водоворот газа (или аккреционный диск), который их окружает и питает. Это приводит к разрыву диска на внутренний и внешний поддиски. Черные дыры сначала пожирают внутреннее кольцо. Затем обломки внешнего субдиска переливаются внутрь, чтобы заполнить пробел, оставленный полностью израсходованным внутренним кольцом, и процесс питания повторяется.
|
|
|
|
Один цикл бесконечно повторяющегося процесса «есть-пополнять-есть» занимает всего несколько месяцев — шокирующе быстрый срок по сравнению с сотнями лет, которые исследователи ранее предполагали. Это новое открытие может помочь объяснить драматическое поведение некоторых самых ярких объектов ночного неба, включая квазары, которые внезапно вспыхивают, а затем исчезают без объяснения причин. «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 меняются во временных масштабах от месяцев до лет. возникает — разрушается, а затем пополняется. Классическая теория аккреционного диска не может объяснить это резкое изменение. Но явления, которые мы видим в наших симуляциях, потенциально могут объяснить это. Быстрое прояснение и затемнение согласуются с разрушением внутренних областей диска».
|
|
|
Кааз — аспирант кафедры астрономии Вайнбергского колледжа искусств и наук Северо-Западного университета и член Центра междисциплинарных исследований и исследований в области астрофизики (CIERA). Его консультирует соавтор статьи Александр Чеховской, доцент кафедры физики и астрономии в Вайнберг и член CIERA. Аккреционные диски, окружающие черные дыры, являются физически сложными объектами, поэтому их невероятно сложно моделировать. Традиционная теория изо всех сил пытается объяснить, почему эти диски светятся так ярко, а затем внезапно тускнеют — иногда вплоть до полного исчезновения. Предыдущие исследователи ошибочно предполагали, что аккреционные диски относительно упорядочены. В этих моделях газ и частицы кружатся вокруг черной дыры — в той же плоскости, что и черная дыра, и в том же направлении вращения черной дыры. Затем, в течение сотен или сотен тысяч лет, частицы газа постепенно проникают в черную дыру и питают ее.
|
|
|
|
«На протяжении десятилетий люди делали очень серьезное предположение, что аккреционные диски соответствуют вращению черной дыры», — сказал Кааз. «Но газ, который питает эти черные дыры, не обязательно знает, в какую сторону вращается черная дыра, так почему же они автоматически выравниваются? Изменение выравнивания радикально меняет картину». Моделирование аккреционных дисков с самым высоким разрешением на сегодняшний день показывает, что регионы, окружающие черную дыру, являются гораздо более запутанными и турбулентными местами, чем считалось ранее. Используя Summit, один из крупнейших в мире суперкомпьютеров, расположенный в Национальной лаборатории Ок-Ридж, исследователи выполнили трехмерное моделирование тонкого наклонного аккреционного диска с помощью общей релятивистской магнитогидродинамики (GRMHD). Хотя предыдущие симуляции не были достаточно мощными, чтобы включить всю необходимую физику, необходимую для построения реалистичной черной дыры, модель, разработанная Northwestern, включает в себя газовую динамику, магнитные поля и общую теорию относительности, чтобы собрать более полную картину.
|
|
|
|
«Черные дыры — это экстремальные общерелятивистские объекты, которые влияют на пространство-время вокруг них», — сказал Кааз. «Итак, когда они вращаются, они тянут пространство вокруг себя, как гигантская карусель, и заставляют его тоже вращаться — явление, называемое «перетаскиванием кадра». Это создает действительно сильный эффект вблизи черной дыры, который становится все слабее по мере удаления». Перетаскивание кадра заставляет весь диск раскачиваться по кругу, подобно прецессии гироскопа. Но внутренний диск хочет раскачиваться гораздо быстрее, чем внешние части. Это несоответствие сил приводит к деформации всего диска, в результате чего газ из разных частей диска сталкивается. Столкновения создают яркие толчки, которые яростно подталкивают материал все ближе и ближе к черной дыре. По мере того, как деформация становится более серьезной, самая внутренняя область аккреционного диска продолжает раскачиваться все быстрее и быстрее, пока не оторвется от остальной части диска. Затем, согласно новому моделированию, поддиски начинают развиваться независимо друг от друга. Вместо того, чтобы плавно двигаться вместе, как плоская пластина, окружающая черную дыру, субдиски независимо раскачиваются с разными скоростями и углами, как колеса в гироскопе.
|
|
|
|
«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».
|
|
«Там, где побеждает черная дыра» Согласно новому моделированию, именно в зоне разрыва, где внутренний и внешний поддиски разъединяются, действительно начинается безумие питания. В то время как трение пытается удержать диск вместе, скручивание пространства-времени вращающейся черной дырой стремится разорвать его на части. «Существует конкуренция между вращением черной дыры и трением и давлением внутри диска», — сказал Кааз. «В области разрыва черная дыра побеждает. Внутренний и внешний диски сталкиваются друг с другом. Внешний диск сбривает слои внутреннего диска, толкая его внутрь». Теперь поддиски пересекаются под разными углами. Внешний диск насыпает материал поверх внутреннего диска. Эта дополнительная масса также толкает внутренний диск к черной дыре, где он поглощается. Затем собственная гравитация черной дыры притягивает газ из внешней области к теперь пустой внутренней области, чтобы пополнить ее.
|
|
|
|
Кааз сказал, что эти быстрые циклы «еда-поедание-еда» потенциально объясняют так называемое «изменение внешнего вида» квазаров. Квазары — чрезвычайно яркие объекты, излучающие в 1000 раз больше энергии, чем все 200–400 миллиардов звезд Млечного Пути. Квазары, меняющие внешний вид, еще более экстремальны. Кажется, что они включаются и выключаются в течение нескольких месяцев — крошечный промежуток времени для типичного квазара. Хотя классическая теория выдвинула предположения о том, как быстро аккреционные диски развиваются и меняют яркость, наблюдения за квазарами, меняющими внешний вид, показывают, что на самом деле они эволюционируют намного быстрее. «Внутренняя область аккреционного диска, откуда исходит большая часть яркости, может полностью исчезнуть — очень быстро, за несколько месяцев», — сказал Кааз. «По сути, мы видим, как оно полностью исчезает. Система перестает быть яркой. Затем она снова становится ярче, и процесс повторяется. Традиционная теория не может объяснить, почему она вообще исчезает, и она не объясняет, как он так быстро пополняется». Новые модели не только потенциально объясняют квазары, но и могут ответить на текущие вопросы о загадочной природе черных дыр. «Как газ попадает в черную дыру и питает ее, — это центральный вопрос физики аккреционных дисков», — сказал Кааз. «Если вы знаете, как это происходит, то вы узнаете, как долго живет диск, насколько он яркий и как должен выглядеть свет, когда мы наблюдаем его в телескопы».
|
|
|
|
Источник
|
