Kosmiczna symulacja ujawnia, jak czarne dziury rosną i ewoluują
Astrofizycy przeprowadzili symulację podróży pierwotnego gazu pochodzącego z wczesnego Wszechświata.
Zdjęcie z symulacji pokazuje kwazara otoczonego wirującym dyskiem akrecyjnym. Źródło: Caltech/grupa Phila Hopkinsa
Zespołowi astrofizyków pod kierownictwem Caltech po raz pierwszy udało się zasymulować podróż pierwotnego gazu pochodzącego z wczesnego Wszechświata od etapu, w którym zostaje on porwany przez dysk materii napędzający pojedynczą supermasywną czarną dziurę. Nowa symulacja komputerowa podważa koncepcje dotyczące takich dysków, które astronomowie utrzymywali od lat 70. ubiegłego wieku i toruje drogę do nowych odkryć na temat tego, jak czarne dziury i galaktyki rosną i ewoluują.
Nasza nowa symulacja stanowi kulminację kilku lat pracy dwóch dużych zespołów, które rozpoczęły się tutaj w Caltech – powiedział Phil Hopkins, profesor astrofizyki teoretycznej Ira S. Bowen.
Pierwsza współpraca, nazwana FIRE (Feedback in Realistic Environments), koncentrowała się na większych skalach we Wszechświecie, badając takie kwestie, jak formowanie się galaktyk i to, co dzieje się, gdy galaktyki się zderzają. Drugi, nazwany STARFORGE, został zaprojektowany do badania znacznie mniejszych skal, w tym tego, jak gwiazdy tworzą się w poszczególnych obłokach gazu. Ale była między nimi duża przepaść – wyjaśnił Hopkins. Teraz po raz pierwszy udało nam się wypełnić tę lukę. Aby to zrobić, naukowcy musieli zbudować symulację o rozdzielczości ponad 1000 razy większej niż poprzednia najlepsza w tej dziedzinie.
Ku zaskoczeniu zespołu, jak donosi The Open Journal of Astrophysics, symulacja ujawniła, że pola magnetyczne odgrywają znacznie większą rolę niż wcześniej sądzono w formowaniu i kształtowaniu ogromnych dysków materii, które wirują wokół supermasywnych czarnych dziur i zasilają je. Nasze teorie mówiły nam, że dyski powinny być płaskie jak naleśniki – powiedział Hopkins. Wiedzieliśmy jednak, że to nieprawda, ponieważ obserwacje astronomiczne wykazały, że dyski są w rzeczywistości puszyste – bardziej przypominają anielskie ciasto. Nasza symulacja pomogła nam zrozumieć, że pola magnetyczne podtrzymują materię dysku, czyniąc go bardziej puszystym.
W nowej symulacji naukowcy wykonali coś, co nazywają „super przybliżeniem” na pojedynczej supermasywnej czarnej dziurze, monstrualnym obiekcie, który leży w sercu wielu galaktyk, w tym naszej własnej Drogi Mlecznej. Te żarłoczne, tajemnicze ciała mają masę od tysięcy do miliardów razy większą od masy Słońca, przez co wywierają ogromny wpływ na wszystko, co znajdzie się w ich pobliżu.
Astronomowie od dziesięcioleci wiedzą, że gaz i pył wciągane przez ogromną grawitację czarnych dziur nie są natychmiast zasysane. Zamiast tego materia najpierw tworzy szybko wirujący dysk zwany dyskiem akrecyjnym. W momencie, gdy materia ma właśnie wpaść do środka, emituje ogromną ilość energii, świecąc blaskiem nieporównywalnym z niczym we Wszechświecie. Wciąż jednak wiele nie wiadomo o tych aktywnych supermasywnych czarnych dziurach, zwanych kwazarami, oraz o tym, jak tworzą się i zachowują zasilające je dyski.
Podczas gdy dyski wokół supermasywnych czarnych dziur były już wcześniej obrazowane – Teleskop Horyzontu Zdarzeń obrazował dyski krążące wokół czarnych dziur w sercu naszej Galaktyki w 2022 roku i Messier 87 w 2019 roku – dyski te są znacznie bliższe i bardziej oswojone niż te, które wirują wokół kwazarów. Aby zwizualizować to, co dzieje się wokół tych bardziej aktywnych i odległych czarnych dziur, astrofizycy sięgają po symulacje superkomputerów. Przekazują oni informacje na temat fizyki działającej w tych galaktycznych środowiskach – od podstawowych równań rządzących grawitacją po sposób traktowania ciemnej materii i gwiazd – do tysięcy procesorów obliczeniowych, które pracują równolegle. Te dane wyjściowe obejmują wiele algorytmów, które komputery muszą wykonać, aby odtworzyć skomplikowane zjawiska. Na przykład, komputery wiedzą, że gdy gaz staje się wystarczająco gęsty, tworzy się gwiazda. Ale proces ten nie jest taki prosty.
Jeśli powiesz po prostu, że grawitacja ściąga wszystko w dół, a następnie gaz tworzy gwiazdę, a gwiazdy po prostu się gromadzą, to wszystko będzie błędne – wyjaśnił Hopkins. W końcu gwiazdy robią wiele rzeczy, które wpływają na ich otoczenie. Emitują promieniowanie, które może podgrzewać lub wypychać otaczający gaz. Wywołują wiatry, takie jak wiatr słoneczny wytwarzany przez nasze Słońce, które mogą zmiatać materię. Eksplodują jako supernowe, czasami wyrzucając materię poza galaktyki lub zmieniając chemię swojego otoczenia. Komputery muszą więc znać wszystkie tajniki tego „gwiezdnego sprzężenia zwrotnego”, ponieważ reguluje ono liczbę gwiazd, które mogą powstać w galaktyce.
Tworzenie symulacji obejmujących wiele skal
Jednak w tych większych skalach zestaw fizyki, który jest najważniejszy do uwzględnienia i jakie przybliżenia można wykonać, różni się od tych w mniejszych skalach. Na przykład w skali galaktycznej skomplikowane szczegóły zachowania atomów i cząsteczek są niezwykle ważne i muszą zostać uwzględnione w każdej symulacji. Naukowcy zgadzają się jednak, że gdy symulacje koncentrują się na bardziej bezpośrednim obszarze wokół czarnej dziury, chemia molekularna może być w większości ignorowana, ponieważ gaz jest tam zbyt gorący, aby mogły istnieć atomy i cząsteczki. Zamiast tego istnieje tam gorąca zjonizowana plazma.
Stworzenie symulacji, która mogłaby objąć wszystkie istotne skale, aż do poziomu pojedynczego dysku akrecyjnego wokół supermasywnej czarnej dziury, było ogromnym wyzwaniem obliczeniowym wymagającym również kodu, który mógłby obsłużyć całą fizykę. Istniało kilka kodów, które posiadały fizykę potrzebną do rozwiązania części problemu na małą skalę i takie, które posiadały fizykę potrzebną do rozwiązania większej, kosmologicznej części problemu, ale żaden nie obejmował obu tych elementów – powiedział Hopkins.
Zespół użył kodu o nazwie GIZMO zarówno dla dużych, jak i małych projektów symulacyjnych. Co ważne, zbudowali projekt FIRE tak, aby cała fizyka, którą do niego dodali, mogła współpracować z projektem STARFORGE i odwrotnie. Zbudowaliśmy go w bardzo modułowy sposób, dzięki czemu można było włączać i wyłączać dowolne elementy fizyki, które były potrzebne dla danego problemu, ale wszystkie były ze sobą kompatybilne – powiedział Hopkins.
Pozwoliło to naukowcom biorącym udział w najnowszej pracy na symulację czarnej dziury o masie około 10 milionów mas Słońca, począwszy od wczesnego Wszechświata. Następnie symulacja przybliża tę czarną dziurę w momencie, gdy gigantyczny strumień materii zostaje oderwany od chmury gazu tworzącego gwiazdy i zaczyna wirować wokół supermasywnej czarnej dziury. Symulacja może kontynuować przybliżanie z rozdzielczością na coraz drobniejszy obszar na każdym kroku, gdy podąża za gazem w drodze do czarnej dziury.
Zaskakująco puszyste dyski magnetyczne
W naszej symulacji widzimy, jak dysk akrecyjny tworzy się wokół czarnej dziury – powiedział Hopkins. Bylibyśmy bardzo podekscytowani, gdybyśmy po prostu zobaczyli ten dysk akrecyjny, ale bardzo zaskakujące było to, że symulowany dysk nie wygląda tak, jak myśleliśmy od dziesięcioleci, że powinien wyglądać.
W dwóch przełomowych pracach z lat siedemdziesiątych, które opisywały dyski akrecyjne napędzające supermasywne czarne dziury, naukowcy założyli, że ciśnienie termiczne – zmiana ciśnienia spowodowana zmieniającą się temperaturą gazu w dyskach – odgrywa dominującą rolę w zapobieganiu zapadania się takich dysków pod wpływem ogromnej grawitacji, której doświadczają w pobliżu czarnej dziury. Przyznali oni, że pola magnetyczne mogą odgrywać niewielką rolę w podtrzymywaniu dysków. W przeciwieństwie do tego, nowa symulacja wykazała, że ciśnienie pól magnetycznych takich dysków było w rzeczywistości 10 000 razy większe niż ciśnienie wytwarzana przez ciepło gazu.
Zatem dyski są prawie całkowicie kontrolowane przez pola magnetyczne – powiedział Hopkins. Pola magnetyczne spełniają wiele funkcji, a jedną z nich jest podtrzymywanie dysków i nadawanie materii puszystości.
Ta świadomość zmienia wiele przewidywań naukowców dotyczących takich dysków akrecyjnych, takich jak ich masa, gęstość i grubość, jak szybko materia powinna być w stanie przemieszczać się z nich do czarnej dziury, a nawet ich geometria (np. czy dyski mogą być przekrzywione).
Patrząc w przyszłość, Hopkins ma nadzieję, że ta nowa zdolność do wypełnienia luki w skalach symulacji kosmologicznych otworzy wiele nowych możliwości badawczych. Na przykład, co się dzieje, gdy dwie galaktyki się łączą? Jakie rodzaje gwiazd tworzą się w gęstych regionach galaktyk, gdzie warunki są inne niż w sąsiedztwie naszego Słońca? Jak mogła wyglądać pierwsza generacja gwiazd we Wszechświecie? Jest tak wiele do zrobienie – powiedział.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
