Команде астрофизиков из Калифорнийского технологического института впервые удалось смоделировать движение первичного газа, начиная с ранней Вселенной, до стадии, на которой он превращается в диск из вещества, питающего единственную сверхмассивную черную дыру. Новое компьютерное моделирование переворачивает представления о таких дисках, которых придерживались астрономы с 1970-х годов, и прокладывает путь к новым открытиям о том, как растут и эволюционируют черные дыры и галактики. "Наше новое моделирование знаменует собой кульминацию многолетней работы двух крупных коллабораций, начатой здесь, в Калифорнийском технологическом институте", - говорит Фил Хопкинс, профессор теоретической астрофизики Айры С. Боуэна. Первая совместная работа, получившая название FIRE (Обратная связь в реалистичных условиях), была сосредоточена на более крупных масштабах Вселенной, изучая такие вопросы, как формирование галактик и что происходит при столкновении галактик. Другой, получивший название STARFORGE, был разработан для изучения гораздо меньших масштабов, в том числе того, как образуются звезды в отдельных облаках газа. "Но между ними был большой разрыв", - объясняет Хопкинс. "Теперь, впервые, мы преодолели этот разрыв".
Для этого исследователям пришлось создать симуляцию с разрешением, которое более чем в 1000 раз превышало предыдущие достижения 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 огромных дисков из материала, которые вращаются вокруг сверхмассивных черных дыр и питают их. "Согласно нашим теориям, диски должны быть плоскими, как блинчики", - говорит Хопкинс. "Но мы знали, что это не так, потому что астрономические наблюдения показали, что на самом деле диски пышные — больше похожи на торт "ангелочек". Наше моделирование помогло нам понять, что магнитные поля поддерживают материал диска, делая его более пушистым". В ходе нового моделирования исследователи выполнили то, что они называют "супер-увеличением" одной сверхмассивной черной дыры, чудовищного объекта, который находится в центре многих галактик, включая наш собственный Млечный Путь. Эти хищные, таинственные тела по массе в тысячи и миллиарды раз превышают Солнце и, таким образом, оказывают огромное влияние на все, что приближается к ним.
Астрономы уже несколько десятилетий знают, что, когда газ и пыль притягиваются огромной гравитацией этих черных дыр, они не всасываются сразу. Вместо этого вещество сначала образует быстро вращающийся диск, называемый аккреционным диском. И когда материал вот-вот упадет внутрь, он излучает огромное количество энергии, сияя с такой яркостью, с которой не сравнится ничто во Вселенной. Но до сих пор многое неизвестно об этих активных сверхмассивных черных дырах, называемых квазарами, и о том, как формируются и ведут себя диски, которые их питают. В то время как диски вокруг сверхмассивных черных дыр были запечатлены ранее — телескоп Event Horizon запечатлел диски, вращающиеся вокруг черных дыр в центре нашей галактики в 2022 году и Мессье 87 в 2019 году, — эти диски намного ближе и незаметнее, чем те, что вращаются вокруг квазаров.
Чтобы визуализировать, что происходит вокруг этих более активных и удаленных черных дыр, астрофизики обращаются к суперкомпьютерному моделированию. Они передают информацию о физике, действующей в этих галактических условиях, — от базовых уравнений, управляющих гравитацией, до того, как обращаться с темной материей и звездами, — в тысячи вычислительных процессоров, которые работают параллельно. Эти входные данные включают в себя множество алгоритмов или серий инструкций, которым компьютеры должны следовать, чтобы воссоздать сложные явления. Так, например, компьютеры знают, что, как только газ становится достаточно плотным, образуется звезда. Но этот процесс не так прост. "Если вы просто скажете, что гравитация притягивает все вокруг, а затем, в конечном счете, газ образует звезду, и звезды просто образуются, вы все совершенно неправильно поймете", - объясняет Хопкинс.
В конце концов, звезды совершают множество действий, которые влияют на их окружение. Они излучают излучение, которое может нагревать или толкать окружающий газ. Они дуют ветрами, подобными солнечному ветру, создаваемому нашим собственным солнцем, который может уносить вещество. Они взрываются как сверхновые, иногда выбрасывая вещество за пределы галактик или изменяя химический состав окружающей их среды. Таким образом, компьютеры также должны знать все тонкости этой "звездной обратной связи", поскольку она определяет, сколько звезд на самом деле может образоваться в галактике. Но в таких больших масштабах набор физических параметров, которые наиболее важны для включения, и то, какие приближения могут быть сделаны, отличаются от тех, что используются в меньших масштабах. Например, в галактическом масштабе сложные детали поведения атомов и молекул чрезвычайно важны и должны быть встроены в любое моделирование. Однако ученые сходятся во мнении, что, когда моделирование проводится в непосредственной близости от черной дыры, молекулярную химию можно в основном 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 отдельного аккреционного диска вокруг сверхмассивной черной дыры, было огромной вычислительной задачей, для решения которой также требовался код, способный обрабатывать все физические данные. "Были некоторые коды, которые содержали физику, необходимую для решения мелкомасштабной части задачи, и некоторые коды, которые содержали физику, необходимую для решения более масштабной, космологической части задачи, но ни в одном из них не было и того, и другого", - говорит Хопкинс. Команда, возглавляемая Калифорнийским технологическим институтом, использовала код, который они называют GIZMO, как для крупномасштабных, так и для мелкомасштабных симуляционных проектов. Важно отметить, что они создали проект FIRE таким образом, чтобы вся физика, которую они в него добавили, могла работать с проектом STARFORGE, и наоборот. "Мы построили его очень модульно, так что вы могли включать и выключать любые элементы физики, которые вам были нужны для решения данной задачи, но все они были кросс-совместимы", - говорит Хопкинс.
Это позволило ученым в своей последней работе смоделировать черную дыру, масса которой примерно в 10 миллионов раз превышает массу нашего Солнца, начиная с ранней Вселенной. Затем моделирование приближает эту черную дыру к моменту, когда гигантский поток вещества отрывается от облака звездообразующего газа и начинает вращаться вокруг сверхмассивной черной дыры. Моделирование может продолжать увеличиваться, выделяя все более мелкие участки на каждом этапе, следуя за газом на его пути к отверстию. "В нашем моделировании мы видим, как этот аккреционный диск образуется вокруг черной дыры", - говорит Хопкинс. "Мы были бы очень взволнованы, если бы только увидели этот аккреционный диск, но самым удивительным было то, что смоделированный диск выглядит совсем не так, как мы думали десятилетиями". В двух основополагающих статьях 1970—х годов, в которых описывались аккреционные диски, питающие сверхмассивные черные дыры, ученые предположили, что тепловое давление — изменение давления, вызванное изменением температуры газа в дисках, - играет доминирующую роль в предотвращении коллапса таких дисков под действием огромной силы тяжести, которую они испытывают вблизи черной дыры. Они признали, что магнитные поля могут играть незначительную роль в укреплении 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 заключается в поддержании дисков и придании материалу упругости". Осознание этого факта меняет множество прогнозов, которые ученые могут сделать относительно таких аккреционных дисков, таких как их масса, насколько плотными и толстыми они должны быть, насколько быстро материал должен перемещаться из них в черную дыру и даже их геометрию (например, могут ли диски быть однобокими). Заглядывая в будущее, Хопкинс надеется, что эта новая возможность сократить масштабы космологического моделирования откроет множество новых направлений исследований. Например, что происходит в деталях при слиянии двух галактик? Какие типы звезд формируются в плотных областях галактик, где условия отличаются от условий в окрестностях нашего Солнца? Как могло выглядеть первое поколение звезд во Вселенной? "Нам еще так много предстоит сделать", - говорит он.
