Симуляция на суперкомпьютере раскрыла природу вспышек сверхмассивных черных дыр

Несмотря на свое название, черные дыры периодически испускают вспышки, природа которых окружена тайной. При помощи симуляций высокого разрешения ученым удалось выяснить, как завихрения магнитных полей способны выделять огромные объемы энергии. 

Известно, что гравитационное притяжение черных дыр настолько сильно, что даже свет не может его преодолеть. Это делает саму идею вспышек света, исходящих из черных дыр, странной, несмотря на регулярный характер их появления. Однако они исходят не из самих черных дыр, а из аккреционного диска – горячего, яркого кольца вещества, окружающего и падающего на компактный объект.

Чаще всего вспышки света – это результат падения пыли и газа в черную дыру: вещество сильно разогревается и ярко светится. Но есть случаи, когда вспышки движутся в направлении от черной дыры, и вот с объяснением их происхождения возникают проблемы. На протяжении долгого времени ученые подозревали, что эти явления как-то связаны с мощными магнитными полями, окружающими эти объекты.

Новое исследование астрономы провели при помощи самых детализированных симуляций черных дыр из когда-либо запущенных. Проект провел миллионы часов вычислений на трех суперкомпьютерах – Longhorn, Popeye и Summit. В итоге получилась симуляция черной дыры с разрешением в 1000 раз выше, чем в предыдущих попытках, и вместе с ней ученые получили более полную картину того, что происходит во вспышках черных дыр.

Симуляция показала, что по мере перетекания вещества в черную дыру оно воздействует на линии ее магнитных полей. Эти линии начинают скапливаться вблизи горизонта событий, не давая веществу упасть за него. Давление стремящегося упасть в черную дыру вещества сжимает и уплотняет линии до тех пор, пока они не образуют канал, ведущий либо по направлению к черной дыре, либо от нее.

Когда движущиеся в разных направлениях линии полей пересекаются, они могут разорвать существующие на тот момент связи и объединиться друг с другом. Это, в свою очередь, передает энергию окружающей плазме, подталкивая часть частиц к черной дыре и отталкивая часть частиц от нее в космос. Последнее мы наблюдаем в виде вспышек.

Барт Рипперда, соавтор исследования:

Без высокого разрешения наших симуляций, у вас не получится запечатлеть субдинамику и подструктуры. В моделях низкого разрешения пересоединения не происходит, так что в них нет механизма, способного ускорить частицы.

Однако вещество, выброшенное таким магнитным пересоединением не может убежать от черной дыры надолго. Команда утверждает, что горячий пузырь плазмы в итоге вернется на орбиту – это наблюдается вокруг сверхмассивной черной дыры в центре Млечного пути.

Симуляция также показала, что эти вспышки имеют циклическую природу. Энергия магнитных полей через некоторое время ослабевает, но в итоге запускает этот процесс заново. Для разных черных дыр этот цикл вспышек происходит на разных масштабах – от нескольких дней до нескольких лет, – что также согласуется с наблюдениями.

Исследователи утверждают, что будущие наблюдения на космическом телескопе «Джеймс Вебб» могут подтвердить, происходит ли в действительности то, что они наблюдают в симуляции.