Sorte huller er en af de mest fantastiske og mystiske kræfter i universet. Oprindeligt forudsagt af Einsteins teori om generel relativitet, disse punkter i rumtiden dannes, når massive stjerner gennemgår gravitationsforstyrrelse i slutningen af deres liv. På trods af årtiers undersøgelse og observation er der stadig meget, vi ikke ved om dette fænomen.
For eksempel er videnskabsmænd stadig stort set i mørke om, hvordan sagen, der falder i kredsløb omkring et sort hul og gradvist fodres på det (akkretionsskiver) opfører sig. Takket være en nylig undersøgelse, hvor et internationalt team af forskere udførte de mest detaljerede simuleringer af et sort hul til dags dato, er en række teoretiske forudsigelser vedrørende akkretionsskiver endelig valideret.
Holdet bestod af computerstatrofysikere fra University of Amsterdam's Anton Pannekoek Institute for Astronomy, Northwestern University's Center for Interdisciplinary Exploration & Research in Astrophysics (CIERA) og University of Oxford. Deres forskningsresultater dukkede op i 5. juni Månedlige meddelelser fra Royal Astronomical Society.
Blandt deres konklusioner bekræftede teamet en teori, der oprindeligt blev fremsat i 1975 af James Bardeen og Jacobus Petterson, som er blevet kendt som Bardeen-Petterson-effekten. I overensstemmelse med denne teori fandt holdet, at selvom det ydre område af en akkretionsdisk forbliver vippet, vil diskens indre region stemme overens med dens sorte huls ækvator.
For at sige det enkelt, har næsten alt, hvad forskere ved om sorte huller, lært ved at studere akkretionsskiver. Uden disse lyse ringe af gas og støv er det usandsynligt, at forskere ville være i stand til at lokalisere sorte huller. Derudover er et sort huls vækst og rotationshastighed også afhængig af dens akkretionsdisk, hvilket gør det nødvendigt at studere dem for at forstå sorte huls udvikling og opførsel.
Som Alexander Tchekhovskoy, an
Lige siden Bardeen og Petterson foreslog deres teori, har sorte hulsimuleringer lidt af en række problemer, som har forhindret dem i at bestemme, om denne justering finder sted. Først og fremmest, når akkretionsskiver nærmer sig Event Horizon, accelererer de til enorme hastigheder og bevæger sig gennem skæve områder i rumtiden.
Et andet emne, der komplicerer sagen yderligere, er det faktum, at et sort huls rotation tvinger rum-tid til at dreje rundt om det. Begge disse spørgsmål kræver, at astrofysikere redegør for virkningerne af generel relativitet, men der er stadig spørgsmålet om magnetisk turbulens. Denne turbulens får diskens partikler til at holde sammen i en cirkulær form og
Indtil nu har astrofysikere ikke haft computerkraften til at redegøre for alt dette. For at udvikle en robust kode, der er i stand til at udføre simuleringer, der tegnede sig for GR og magnetisk turbulens, udviklede teamet en kode baseret på grafiske behandlingsenheder (GPU'er). Sammenlignet med konventionelle centrale behandlingsenheder (CPU'er) er GPU'er meget mere effektive til billedbehandlings- og databehandlingsalgoritmer, der behandler store skår af data.
Holdet indarbejdede også en metode kaldet adaptiv mesh-forfining, som sparer energi ved kun at fokusere på specifikke blokke, hvor bevægelse finder sted og tilpasser sig i overensstemmelse hermed. For at illustrere forskellen sammenlignede Tchekhovskoy GPU'er og
”Lad os sige, at du er nødt til at flytte ind i en ny lejlighed. Du bliver nødt til at tage en masse ture med denne magtfulde Ferrari, fordi den ikke passer til mange kasser. Men hvis du kunne lægge en kasse på hver hest, kunne du flytte alt på én gang. Det er GPU'en. Det har en masse elementer, som hver er langsommere end dem i CPU'en, men der er så mange af dem. ”
Sidst, men ikke mindst, kørte teamet deres simulering ved hjælp af Blue Waters-supercomputere på National Center for Supercomputing Applications (NCSA) ved University of Illinois i Urbana-Champaign. Det, de fandt, var, at mens det ydre område af en disk kan være flisebelagt, vil det indre område være på linje med det sorte huls ækvator, og et glat varp forbinder dem.
Ud over at lukke en langvarig debat om sorte huller og deres akkretionsskiver viser denne undersøgelse også, at langt astrofysik er skredet siden Bardeen og Pettersons dage. Som Matthew Liska opsummerede en forsker:
”Disse simuleringer løser ikke kun et 40-årigt problem, men de har vist, at det i modsætning til typisk tænkning er muligt at simulere de mest lysende akkretionsskiver i fuld generel relativitet. Dette baner vejen for en næste generation af simuleringer, som jeg håber vil løse endnu vigtigere problemer omkring lysende akkretionsskiver. ”
Holdet løste Bardeen-Petterson-effektens mangeårige mysterium ved at udtynde tiltrædelsesdisken i en hidtil uset grad og indarbejde den magnetiserede turbulens, der får disken til at hæve. Tidligere simuleringer gjorde en betydelig forenkling ved blot at tilnærme virkningerne af turbulensen.
Derudover arbejdede tidligere simuleringer med tyndede diske, der havde et minimum højde-til-radius-forhold på 0,05, hvorimod de mest interessante effekter, der blev set af Tchekhovskoy og hans kolleger, opstod, når disken blev tyndt til 0,03. Til deres overraskelse fandt holdet, at selv med utroligt tynde akkretionsskiver, udsendte det sorte hul stadig stråler af partikler og stråling ved en del af lysets hastighed (alias relativistiske jetfly).
Som Tchekhovskoy forklarede, var dette et temmelig uventet fund:
”Ingen forventede, at jetfly blev produceret af disse diske i så små tykkelser. Folk forventede, at magnetfelterne, der producerer disse jetfly, bare ville rippe gennem disse virkelig tynde diske. Men der er de. Og det hjælper os faktisk med at løse observationsmysterier. ”
Med alle de nylige fund, som astrofysikere har gjort vedrørende sorte huller og deres akkretionsskiver, kan du måske sige, at vi lever i den anden ”Relativitets gyldne tidsalder”. Og det ville ikke være nogen overdrivelse at sige, at de videnskabelige udbytter for al denne forskning kunne være enorme. Ved at forstå, hvordan stof opfører sig under de mest ekstreme forhold, kommer vi stadig tættere på at lære, hvordan de grundlæggende kræfter i universet passer sammen.
