Μια ομάδα επιστημόνων, βασισμένη σε δεκαετίες ερευνών, δημιούργησε το πιο λεπτομερές μοντέλο μέχρι σήμερα σχετικά με τον τρόπο που οι φωτεινές μαύρες τρύπες έλκουν την окружаσσία ύλη. Οι προσομοιώσεις πραγματοποιήθηκαν στους κορυφαίους υπερυπολογιστές παγκοσμίως, προσφέροντας μια νέα, συναρπαστική διάσταση στην κατανόηση του κοσμικού μας περιβάλλοντος. Η ομάδα, που ανήκει στο Ινστιτούτο Προηγμένων Μελετών και στο Κέντρο Υπολογιστικής Αστροφυσικής του Ινστιτούτου Flatiron, προσομοίωσε για πρώτη φορά τη ροή της ύλης σε μαύρες τρύπες, εφαρμόζοντας την πλήρη γενική σχετικότητα σε ένα περιβάλλον γεμάτο από ακτινοβολία. Αυτή η καινοτόμος προσέγγιση ανατρέπει τις προηγούμενες μελέτες, που συχνά χρησιμοποιούσαν απλουστευμένες εκδοχές του φαινομένου.
Η μελέτη αυτή δημοσιεύθηκε στο The Astrophysical Journal και σηματοδοτεί την αρχή μιας σειράς ερευνών που σκοπεύουν να καταδείξουν το νέο υπολογιστικό πλαίσιο και να εξερευνήσουν την εφαρμογή του σε διάφορες γνωστές μαύρες τρύπες.
«Αυτή είναι η πρώτη φορά που μπορούμε να δούμε τι συμβαίνει όταν οι κύριες φυσικές διεργασίες της συσσώρευσης μαύρων τρυπών ενσωματώνονται με επιτυχία», δήλωσε ο επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης, Lizhong Zhang. «Τα συστήματα αυτά είναι εξαιρετικά μη γραμμικά – η εφαρμογή απλοποιημένων υποθέσεων μπορεί να αλλάξει δραστικά τα αποτελέσματα. Ενθαρρυντικό είναι ότι οι προσομοιώσεις μας αποτυπώνουν τις παρατηρούμενες συμπεριφορές των μαύρων τρυπών, από υπερφωτεινές πηγές ακτίνων Χ έως δυαδικά συστήματα ακτίνων Χ. Είναι, κατά μία έννοια, σαν να παρατηρούμε αυτά τα συστήματα μέσω υπολογιστή και όχι μέσω τηλεσκοπίου», πρόσθεσε.
Οι μαύρες τρύπες είναι από τα πιο αινιγματικά αντικείμενα του σύμπαντος. Λόγω των ισχυρών βαρυτικών δυνάμεών τους, οι ερευνητές αναγκάζονται να χρησιμοποιούν τη γενική σχετικότητα του Αϊνστάιν για να κατανοήσουν πώς τα μεγάλα αντικείμενα καμπυλώνουν τον χωροχρόνο. Καθώς η ύλη πέφτει προς μια μαύρη τρύπα, είναι σημαντικό να εξεταστεί πώς η προκύπτουσα ακτινοβολία (φως) αλληλεπιδρά με το γύρω αέριο, διασχίζοντας τον παραμορφωμένο χωροχρόνο. Στις προηγούμενες προσεγγίσεις, όμως, οι επιστήμονες δεν μπόρεσαν να συνδυάσουν όλες αυτές τις πτυχές, αφήνοντας σημαντικά κενά στην κατανόηση.
«Οι υπάρχουσες μέθοδοι χρησιμοποιούσαν προσεγγίσεις που αντιμετώπιζαν την ακτινοβολία ως έναν τύπο ρευστού, αλλά αυτό δεν αποτυπώνει τη συμπεριφορά της», σημείωσε ο Zhang.
Αυτός ο τύπος μεθόδου ήταν αναγκαίος λόγω της πολυπλοκότητας των εξισώσεων, οι οποίες είναι απαιτητικές υπολογιστικά. Συνδυάζοντας γνώσεις από δεκαετίες έρευνας, η ομάδα ανέπτυξε νέους αλγόριθμους που παρέχουν άμεσες λύσεις, αποφεύγοντας τις προσεγγίσεις. «Ο αλγόριθμός μας είναι ο μόνος που ενσωματώνει την ακτινοβολία όπως πραγματικά είναι στη γενική σχετικότητα», πρόσθεσε.
Voyager 2: Λύθηκε το μεγαλύτερο μυστήριο της ανθρωπότητας στον Ουρανό!
Στην προσομοίωση οι επιστήμονες εξερεύνησαν τη συσσώρευση ύλης σε μαύρες τρύπες αστρικής μάζας, που φτάνουν τις 10 φορές τη μάζα του Ήλιου. Αν και αυτές είναι μικρές σε σύγκριση με την υπερμεγέθη μαύρη τρύπα Sagittarius A* στο κέντρο του Γαλαξία μας, οι προσομοιώσεις είναι καίριες για την κατανόηση των διεργασιών που συμβαίνουν γύρω από αυτές. Παρόλο που έχουμε αποκτήσει φωτογραφίες από μαύρες τρύπες, αυτές φαίνονται σαν πηγές φωτός, η πραγματική κατανόηση απαιτεί τη μετατροπή του φωτός σε φάσμα και την ανάλυση της κατανομής ενέργειας γύρω τους.
Με τη βοήθεια των προσομοιώσεών τους, οι ερευνητές παρακολούθησαν τη συμπεριφορά της ύλης καθώς αυτή κινείται σπειροειδώς προς τις αστρικές μαύρες τρύπες, σχηματίζοντας δίσκους στροβιλώδους ροής με κυριαρχία της ακτινοβολίας. Αυτοί οι δίσκοι εκτοξεύουν ισχυρούς ανέμους και δύνανται να παράγουν και ισχυρούς πίδακες. Η ομάδα διαπίστωσε ότι το μοντέλο τους ταίριαζε ιδανικά με τα φάσματα από παρατηρησιακά δεδομένα, ένα γεγονός που αναβαθμίζει την ερμηνεία των περιορισμένων δεδομένων που υπάρχουν για αυτά τα απομακρυσμένα αντικείμενα.
Ο επόμενος στόχος της ομάδας είναι να εξακριβώσει εάν το μοντέλο τους μπορεί να εφαρμοστεί σε όλους τους τύπους μαύρων τρυπών, γεγονός που μπορεί να προσφέρει ένα ισχυρό εργαλείο για τη μελέτη των υπερμεγέθων μαύρων τρυπών, οι οποίες είναι υπεύθυνες για τη διαμόρφωση των γαλαξιών. Για αυτόν τον λόγο, η ομάδα προγραμματίζει να εξερευνήσει περαιτέρω την αλληλεπίδραση της ακτινοβολίας με την ύλη με μια ευρύτερη γκάμα θερμοκρασιών και πυκνοτήτων.
Η μελέτη δημοσιεύθηκε στο The Astrophysical Journal.
