Sorte huller har været en uendelig kilde til fascination lige siden Einsteins teori om generel relativitet forudsagde deres eksistens. I de sidste 100 år er undersøgelsen af sorte huller fremskredet markant, men ærefrygt og mysterium ved disse genstande forbliver. For eksempel har forskere bemærket, at sorte huller i nogle tilfælde har massive jetfly med ladede partikler, der stammer fra dem, der strækker sig over millioner af lysår.
Disse ”relativistiske jetfly” - såkaldte fordi de driver ladede partikler med en brøkdel af lysets hastighed - har overrasket astronomer i årevis. Men takket være en nylig undersøgelse foretaget af et internationalt forskerteam, er der fået ny indsigt i disse jetfly. I overensstemmelse med generel relativitet viste forskerne, at disse jetfly gradvist er nødvendige (dvs. ændrer retning) som et resultat af, at rumtid blev trukket ind i rotationen af det sorte hul.
Deres undersøgelse med titlen "Formation of Precessing Jets by Tilted Black Hole Discs in 3D General Relativistic MHD Simulations", dukkede for nylig op i Månedlige meddelelser fra Royal Astronomical Society. Holdet bestod af medlemmer fra Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA) ved Northwestern University.
Af hensyn til deres undersøgelse gennemførte teamet simuleringer ved hjælp af Blue Waters supercomputer på University of Illinois. De simuleringer, de udførte, var de første nogensinde til at modellere opførslen hos relativistiske jetfly fra Supermassive Black Holes (SMBHs). Med næsten en milliard beregningsceller var det også den højeste opløsning-simulering af et akkrediterende sort hul nogensinde opnået.
Som Alexander Tchekhovskoy, en lektor i fysik og astronomi ved Northwesterns Weinberg College of Arts and Sciences, forklarede i en nylig pressemeddelelse fra Northwestern Now:
”At forstå hvordan roterende sorte huller trækker rumtiden rundt omkring dem, og hvordan denne proces påvirker, hvad vi ser gennem teleskopene, forbliver et afgørende, vanskeligt at knække puslespil. Heldigvis bringer gennembrudene inden for kodeudvikling og spring i superdataarkitektur os stadig tættere på at finde svarene. ”
Meget ligesom alle supermassive sorte huller, hurtigt spinde SMBH'er regelmæssigt indgreb (aka. Accrete) stof. Imidlertid er hurtigt roterende sorte huller også kendt for den måde, de udsender energi i form af relativistiske jetfly. Den sag, der føder disse sorte huller, danner en roterende disk omkring dem - også. en akkretionsdisk - der er kendetegnet ved varme, aktiverede gas- og magnetfeltlinjer.
Det er tilstedeværelsen af disse feltlinjer, der giver sorte huller mulighed for at drive energi i form af disse jetfly. Fordi disse jetfly er så store, er de lettere at studere end de sorte huller i sig selv. Dermed er astronomer i stand til at forstå, hvor hurtigt retningen af disse jetfly ændrer sig, hvilket afslører ting om rotationen af de sorte huller i sig selv - som orientering og størrelse på deres roterende diske.
Avancerede computersimuleringer er nødvendige, når det drejer sig om undersøgelse af sorte huller, stort set fordi de ikke kan observeres i synligt lys og typisk er meget langt væk. For eksempel er Skytten A * den nærmeste SMBH til Jorden, som ligger omkring 26.000 lysår væk i midten af vores galakse. Som sådan er simuleringer den eneste måde at bestemme, hvordan et meget komplekst system som et sort hul fungerer.
I tidligere simuleringer fungerede forskere under antagelse af, at skive med sort hul var på linje. Imidlertid har det vist sig, at de fleste SMBH'er har vippede diske - dvs. skiverne roterer omkring en separat akse end selve det sorte hul. Denne undersøgelse var derfor sædvanlig, idet den viste, hvordan diske kan ændre retning i forhold til deres sorte hul, hvilket førte til forudgående jetfly, som med jævne mellemrum ændrer deres retning.
Dette var tidligere ukendt på grund af den utrolige mængde computerkraft, der er nødvendig for at konstruere 3D-simuleringer af regionen omkring et hurtigt roterende sort hul. Med støtte fra et National Science Foundation (NSF) -tilskud var teamet i stand til at opnå dette ved at bruge Blue Waters, en af de største supercomputere i verden.
Med denne supercomputer til rådighed var teamet i stand til at konstruere den første sort hulsimuleringskode, som de accelererede ved hjælp af grafiske behandlingsenheder (GPU'er). Takket være denne kombination var teamet i stand til at udføre simuleringer, der havde det højeste opløsningsniveau nogensinde opnået - dvs. tæt på en milliard computerceller. Som Tchekhovskoy forklarede:
”Den høje opløsning tillader os for første gang at sikre, at små turbulente diskbevægelser indfanges nøjagtigt i vores modeller. Til vores overraskelse viste det sig, at disse bevægelser var så stærke, at de fik disken til at blive opfedt og diskets presession stoppede. Dette antyder, at præcession kan ske i bursts. ”
Forhøjelsen af relativistiske jetfly kunne forklare, hvorfor lyssvingninger er blevet observeret fra omkring sorte huller i fortiden - som er kendt som kvasi-periodiske svingninger (QPO'er). Disse bjælker, som først blev opdaget af Michiel van der Klis (en af medforfatterne til undersøgelsen), fungerer på omtrent samme måde som en kvasars bjælker, der ser ud til at have en strøende virkning.
Denne undersøgelse er en af mange, der er ved at udføre roterende sorte huller rundt om i verden, hvis formål er at få en bedre forståelse af nylige opdagelser som tyngdepunktbølger, der er forårsaget af fusion af sorte huller. Disse undersøgelser anvendes også til observationer fra Event Horizon Telescope, der fangede de første billeder af Skytten A * 's skygge. Hvad de vil afsløre er sikker på at begejstre og forbløffe og potentielt uddybe mysteriet med sorte huller.
I det forrige århundrede er studiet af sorte huller fremskredet markant - fra de rent teoretiske til indirekte undersøgelser af de effekter, de har på omgivende stof, til studiet af tyngdekraftsbølger. Måske en dag kan vi faktisk være i stand til at studere dem direkte eller (hvis det ikke er for meget at håbe på) peer direkte inde i dem!
