Згідно з новим дослідженням, чорні діри живляться швидше, ніж передбачалося

Нове дослідження змінює уявлення астрофізиків про звички харчування надмасивних чорних дір та може пояснити, чому квазари так швидко спалахують і гаснуть.

Про це розповідають в Північно-Західному університеті, передають OstanniPodii.com.

Результати роботи опубліковано в The Astrophysical Journal.

Згідно з новими тривимірними симуляціями з високою роздільною здатністю, обертові чорні діри викривляють навколишній простір-час, в кінцевому підсумку розриваючи бурхливий газовий вир (або акреційний диск), який оточує та живить їх. У результаті диск розривається на внутрішній та зовнішній піддиски. Спочатку чорні діри пожирають внутрішнє кільце. Потім уламки зовнішнього піддиска висипаються всередину, заповнюючи прогалину, що залишилася після повністю поглиненого внутрішнього кільця, і процес поглинання повторюється.

Один цикл нескінченно повторюваного процесу "з′їсти-поповнити-з′їсти" займає лише кілька місяців — разюче швидкий часовий інтервал порівняно із сотнями років, які передбачалися дослідниками раніше.

Це відкриття може допомогти у поясненні драматичної поведінки деяких найяскравіших об′єктів нічного неба, зокрема квазарів, які раптово спалахують, а потім з незрозумілих причин зникають.

"Класична теорія акреційного диска передбачає, що диск еволюціонує повільно. Але деякі квазари, що виникають унаслідок поглинання чорними дірами газу зі своїх акреційних дисків, як виявилося, різко змінюються в часі у масштабах від кількох місяців до кількох років. Ці зміни настільки різкі. Схоже, що внутрішня частина диска, звідки виходить більша частина світла, то руйнується, то відновлюється. Класична теорія акреційного диска не може пояснити настільки різкі зміни. Але явища, які ми спостерігаємо у наших симуляціях, потенційно можуть пояснити це. Швидке посилення й ослаблення яскравості відповідає руйнуванню внутрішніх областей диска", - каже Нік Кааз, очільник цієї роботи, який є аспірантом астрономічного факультету Вайнберзького коледжу мистецтв і наук Північно-Західного університету, членом Центру міждисциплінарних досліджень у сфері астрофізики (CIERA).

Помилкові припущення

Акреційні диски, що оточують чорні діри, є фізично складними об′єктами, що робить їх неймовірно важкими для моделювання. Традиційна теорія насилу пояснює, чому ці диски світять так яскраво, а потім різко тьмяніють — іноді до повного зникнення.

Попередні дослідники помилково припускали, що акреційні диски відносно впорядковані. У тих моделях газ і частинки закручуються навколо чорної діри в тій самій площині, що й чорна діра, і в напрямку обертання чорної діри. Потім протягом часу, що становить від сотень до сотень тисяч років, частинки газу по спіралі поступово втягуються в чорну діру й живлять її.

"Протягом десятиліть люди робили дуже серйозне припущення, що акреційні диски вирівняні з обертанням чорної діри", - каже Кааз. "Але газ, що живить ці чорні діри, не обов′язково знає, в який бік обертається чорна діра, то чому ж вони мають автоматично вирівнюватися? Зміна вирівнювання радикально змінює картину".

Проведені дослідниками симуляції, які на сьогодні є одними із симуляцій акреційних дисків з найвищою роздільною здатністю, показують, що ділянки, які оточують чорну діру, є набагато безладнішими та турбулентнішими місцями, ніж вважалося раніше.

Більш схожий на гіроскоп та менше на плоску пластину

Використовуючи один з найбільших у світі суперкомп′ютерів Summit, розташований в Ок-Ріджській національній лабораторії, дослідники провели тривимірні симуляції тонкого похилого акреційного диска в рамках загальнорелятивістської магнітогідродинаміки (GRMHD). У той час, як попередні симуляції не були достатньо потужними, щоб включити всю фізику, необхідну для створення реалістичної чорної діри, модель, розроблена під керівництвом Північно-Західного університету, включає газодинаміку, магнітні поля та загальну теорію відносності для створення більш повної картини.

"Чорні діри — це екстремальні загальнорелятивістські об′єкти, які впливають на простір-час навколо себе", - каже Кааз. "Тож, коли вони обертаються, вони тягнуть простір навколо себе, як гігантська карусель, і змушують його обертатися також — це явище називається "перетягуванням фреймів". Це створює дійсно сильний ефект поблизу чорної діри, який стає дедалі слабшим далі від неї".

Перетягування фреймів (ефект Лензе-Тіррінґа) змушує весь диск коливатися по колу, подібно до того, як прецесує гіроскоп. Однак внутрішня частина диска прагне коливатися набагато швидше, ніж зовнішня. Така розбіжність сил призводить до викривлення всього диска, що призводить до зіткнення газу з різних частин диска. Унаслідок зіткнень виникають яскраві ударні хвилі, які з силою підштовхують речовину все ближче й ближче до чорної діри.

У міру посилення викривлення, внутрішня область акреційного диска продовжує коливатися дедалі швидше й швидше, поки не відривається від решти частини диска. Потім, згідно з новими симуляціями, піддиски починають розвиватися незалежно один від одного. Замість того щоб плавно рухатися разом, як плоска пластина, що оточує чорну діру, піддиски незалежно один від одного коливаються з різними швидкостями й під різними кутами, як коліщатка у гіроскопі.

"Коли внутрішній диск відривається, він прецесує незалежно", - каже Кааз. "Він прецесує швидше, тому що знаходиться ближче до чорної діри та тому, що він маленький, тому його легше переміщати".

"Де чорна діра виграє"

Згідно з новими симуляціями, у ділянці розриву — там, де внутрішні та зовнішні піддиски роз′єднуються, — і починається справжнє божевілля. У той час як тертя намагається утримати диск разом, закручування простору-часу чорною дірою, що обертається, прагне розірвати його на частини.

"Існує конкуренція між обертанням чорної діри й тертям та тиском всередині диска", - каже Кааз. "В області розриву чорна діра перемагає. Внутрішній та зовнішній диски стикаються один з одним. Зовнішній диск зголює шари внутрішнього диска, вдавлюючи його всередину".

Тепер піддиски перетинаються під різними кутами. Зовнішній диск навалюється на внутрішній диск. Ця додаткова маса також штовхає внутрішній диск до чорної діри, де він поглинається. Потім власна гравітація чорної діри витягує газ із зовнішньої області в порожню внутрішню область, щоб заповнити її.

Зв′язок з квазарами

На думку Кааза, ці швидкі цикли "з′їсти-поповнити-з′їсти" можуть пояснити так званий "мінливий вигляд" квазарів. Квазари — це об′єкти, що надзвичайно сильно світяться та випромінюють у 1000 разів більше енергії, ніж усі 200-400 мільярдів зірок Чумацького Шляху. Квазари з мінливим виглядом — ще більш екстремальний об′єкт. Здається, що вони вмикаються й вимикаються протягом кількох місяців — нікчемний термін для типового квазара.

Хоча в класичній теорії існують припущення щодо швидкості еволюції та зміни яскравості акреційних дисків, спостереження квазарів зі змінним виглядом показують, що насправді вони еволюціонують набагато швидше.

"Внутрішня область акреційного диска, звідки походить більша частина яскравості, може повністю зникнути — дуже швидко, протягом декількох місяців", - каже Кааз. "Ми бачимо, що вона практично повністю зникає. Система перестає бути яскравою. Потім вона знову стає яскравою, і процес повторюється. Звичайна теорія не може пояснити, чому вона взагалі зникає, і не може пояснити, як вона так швидко заповнюється".

Нові симуляції не тільки потенційно пояснюють квазари, а й можуть відповісти на питання про загадкову природу чорних дір.

"Як газ потрапляє в чорну діру й живить її — це головне питання фізики акреційних дисків", - каже Кааз. "Якщо ви знаєте, як це відбувається, це дасть вам змогу визначити, як довго існує диск, наскільки він яскравий та як має виглядати світло, коли ми спостерігаємо його за допомогою телескопів".