Астрофизики выяснили, что на самом деле происходит вблизи черных дыр с помощью компьютерной симуляции
Международная команда астрофизиков из Института перспективных исследований и Центра вычислительной астрофизики Института Флатирон представила результаты наиболее детальную на сегодняшний день вычислительную модель процессов, происходящих в непосредственной близости от черных дыр. Масштабное исследование, опубликованное в The Astrophysical Journal, впервые объединило полную общую теорию относительности Эйнштейна с детальными расчетами радиационной гидродинамики без использования упрощающих алгоритмов.
Главным открытием научной работы стало разрешение давнего парадокса в астрофизике. Ученые выяснили, почему аккреционные диски — структуры из газа и пыли, вращающиеся вокруг черной дыры, — остаются стабильными, несмотря на экстремальные условия.
Ранее при моделировании аккреции (падения вещества на черную дыру) физикам приходилось идти на компромиссы. Существующие мощности позволяли либо точно рассчитывать гравитационные эффекты (искривление пространства-времени), либо детально моделировать взаимодействие мощного излучения с веществом. Попытки объединить эти факторы приводили к уравнениям, слишком сложным для численного решения даже на суперкомпьютерах. В результате предыдущие теоретические модели предсказывали, что диски вокруг ярких черных дыр должны быть хаотичными и нестабильными, что противоречило реальным астрономическим наблюдениям.
Команда астрофизиков под руководством Личжуна Чжана использовала новый вычислительный алгоритм для симуляции падения газа на черную дыру звездной массы. Расчеты показали неожиданную картину:
- Вопреки старым теориям, аккреционный поток формирует удивительно устойчивый, тонкий термический диск.
- Этот диск погружен в более разреженную, но магнитно-доминирующую оболочку, которая стабилизирует систему и предотвращает разрушение структуры под давлением излучения.
- Спектры излучения, полученные в ходе симуляции, практически идеально совпали с данными наблюдений за реальными рентгеновскими двойными системами и ультраяркими источниками.
Это исследование стало первым, в котором удалось отказаться от математических компромиссов и учесть полный спектр физических взаимодействий. Личжун Чжан пояснил, что процессы вблизи черных дыр обладают критической нелинейностью: в таких условиях любые, даже незначительные упрощения в расчетах вызывают каскадный эффект, приводящий к фундаментально ошибочным результатам моделирования.
По словам соавтора исследования Джеймса Стоуна, новая модель позволяет изучать эволюцию черных дыр в «реальном времени» (для объектов звездной массы процессы занимают секунды или часы), а также объясняет механизм возникновения мощных ветров и джетов, выбрасываемых из окрестностей горизонта событий.
Результаты работы подтверждают, что стандартная теория аккреционных дисков, предложенная в 1970-х годах (модель Шакуры — Сюняева), корректна в своих основах, но требует учета сложных магнитных взаимодействий для объяснения стабильности в экстремальных режимах светимости.