В астрофизических исследованиях чёрные дыры чаще всего описываются с помощью упрощённой модели Шварцшильда. Иногда проводятся симуляции для изучения отдельных аспектов их физики. Однако создание всеобъемлющей и реалистичной модели чёрной дыры ранее не осуществлялось. Впервые подобное исследование было выполнено в США для объекта звёздной массы, что положило начало новому этапу в изучении этих загадочных тел.
Источник изображений: Flatiron Institute
Описание работы опубликовано в новом номере журнала The Astrophysical Journal. Это наиболее подробная на текущий момент суперкомпьютерная симуляция процессов аккреции вокруг чёрных дыр звёздной массы (сопоставимой с массой Солнца). Исследование проводилось под руководством астрофизика Личжуна Чжана (Lizhong Zhang) из Института Флэтайрон (Flatiron Institute). Команда задействовала два мощных суперкомпьютера для моделирования динамики чёрной дыры без традиционных упрощений, впервые полноценно учтя все основные физические факторы: вращение чёрной дыры, интенсивные магнитные поля, общую теорию относительности (траектории фотонов в искривлённом пространстве-времени), а также взаимодействие излучения с газом и плазмой.
Симуляции продемонстрировали, что вокруг быстро вращающейся чёрной дыры с высокой скоростью поглощения вещества формируется массивный газовый диск, уплотняющийся к центру. В отличие от изящных теоретических моделей Шварцшильда с тонкими аккреционными дисками, реальные объекты, как видно на изображении выше, обладают более сложной и "пышной" структурой. Мощные магнитные поля упорядочивают газовые потоки, создавая частичные ветра и направленные струи плазмы, выбрасываемые в пространство. Над полюсами чёрной дыры образуется узкая воронкообразная область, ускоряющая падение вещества к горизонту событий и генерирующая интенсивное излучение, наблюдаемое лишь под определёнными углами.
Созданная модель раскрывает механизм высвобождения чёрными дырами колоссальной энергии посредством ветров и джетов, а не просто через поглощение излучения диском. Результаты вычислений хорошо согласуются с фактическими наблюдениями различных чёрных дыр. По словам исследователей, это первая симуляция, точно учитывающая излучение чёрной дыры в контексте общей теории относительности, что открывает новые перспективы для понимания экстремальных условий вблизи этих объектов.
В будущих исследованиях научная группа планирует сравнить данные моделирования чёрных дыр звёздной массы с наблюдениями за сверхмассивными чёрными дырами. Вполне вероятно, что многие смоделированные явления будут обнаружены и у объектов значительно большей массы. Кроме того, учёные рассчитывают, что созданные модели позволят лучше понять природу недавно обнаруженных «маленьких красных точек» — сверхмассивных чёрных дыр с аномальными процессами в аккреционных дисках, существовавших на ранних этапах развития Вселенной.
