После десятилетий устойчивого прогресса в области вычислительной астрофизики исследователи достигли важного поворотного момента в изучении чёрных дыр. Новое исследование представляет самую подробную и полную на сегодняшний день модель яркой аккреции чёрных дыр – процесса, при котором чёрные дыры поглощают окружающую материю и испускают интенсивное излучение. Используя одни из самых мощных суперкомпьютеров на Земле, учёные впервые успешно рассчитали, как материя падает в чёрные дыры, полностью учитывая как теорию гравитации Эйнштейна, так и доминирующую роль излучения, без использования упрощающих допущений.
Представленное изображение демонстрирует плотность газа в двумерном сечении аккрецирующей чёрной дыры, где яркие области указывают на высокую плотность. Вблизи объекта аккреционный поток образует плотный, тонкий тепловой диск внутри стабилизирующей магнитно-доминированной оболочки. Примечательно, что даже при радиационно-доминированном и турбулентном потоке структура теплового диска сохраняет удивительную стабильность.
Это достижение знаменует собой первый случай, когда подобные расчеты были выполнены в рамках полной общей теории относительности в радиационно-доминированных условиях. Полученные результаты открывают новое окно в понимание поведения чёрных дыр в экстремальных средах, которые ранее были недоступны для моделирования.
Исследование, опубликованное в The Astrophysical Journal, возглавили учёные из Института перспективных исследований (Institute for Advanced Study) и Центра вычислительной астрофизики (Center for Computational Astrophysics) Института Флэтайрон (Flatiron Institute). Оно представляет собой первую работу в запланированной серии, которая представит новую вычислительную основу команды и применит её к различным типам систем чёрных дыр.
«Это первый раз, когда мы смогли увидеть, что происходит, когда наиболее важные физические процессы в аккреции чёрных дыр точно учтены. Эти системы крайне нелинейны – любое упрощающее допущение может полностью изменить результат. Самое захватывающее заключается в том, что наши симуляции теперь воспроизводят удивительно последовательное поведение в системах чёрных дыр, наблюдаемых в небе, от ультраярких рентгеновских источников до рентгеновских двойных систем. В некотором смысле, нам удалось «наблюдать» эти системы не через телескоп, а через компьютер», – отметил ведущий автор Личжун Чжан. Чжан, совместный постдокторант в Школе естественных наук Института перспективных исследований и Центре вычислительной астрофизики Института Флэтайрон, начал проект в свой первый год в IAS (2023–2024) и продолжил работу в Флэтайрон.
Любая реалистичная модель чёрной дыры должна включать общую теорию относительности, поскольку интенсивная гравитация этих объектов экстремально искривляет пространство и время. Однако одной гравитации недостаточно. Когда большое количество материи притягивается к чёрной дыре, выделяется огромное количество энергии в виде излучения. Точное отслеживание того, как это излучение движется через искривлённое пространство–время и взаимодействует с близлежащим газом, имеет решающее значение для понимания того, что в действительности наблюдают астрономы.
До сих пор симуляции не могли в полной мере справиться с этой комбинацией эффектов. Подобно упрощённым классным моделям, которые охватывают лишь часть реальной системы, более ранние подходы полагались на допущения, которые делали расчеты управляемыми, но неполными. «Предыдущие методы использовали аппроксимации, которые рассматривали излучение как своего рода жидкость, что не отражает его реального поведения», – пояснил Чжан.
Эти аппроксимации когда-то были неизбежны, поскольку базовые уравнения чрезвычайно сложны и требуют огромных вычислительных ресурсов. Объединив идеи, разработанные на протяжении многих лет, команда создала новые алгоритмы, способные решать эти уравнения напрямую, без приближений. «Наш алгоритм – единственный в настоящее время, который предоставляет решение, обрабатывая излучение таким, какое оно есть в общей теории относительности», – подчеркнул Чжан. Этот прорыв позволяет исследователям моделировать среды чёрных дыр с уровнем реализма, который ранее был невозможен.
Исследование сосредоточено на чёрных дырах звёздной массы, которые обычно в 10 раз массивнее Солнца. Эти объекты намного меньше, чем Sgr A* – сверхмассивная чёрная дыра в центре Млечного Пути, но они предлагают уникальные преимущества для изучения. В то время как астрономы создали подробные изображения сверхмассивных чёрных дыр, чёрные дыры звёздной массы выглядят лишь как крошечные точки света. Учёные должны анализировать их испускаемый свет, разбивая его на спектр, который показывает, как энергия распределяется вокруг чёрной дыры. Поскольку чёрные дыры звёздной массы эволюционируют в течение минут или часов, а не лет или столетий, они позволяют исследователям наблюдать быстрые изменения в реальном времени.
Используя новую модель, исследователи проследили, как материя движется по спирали внутрь, образуя турбулентные, радиационно-доминированные диски вокруг чёрных дыр звёздной массы. Симуляции также показали сильные ветра, дующие наружу, а в некоторых случаях – образование мощных джетов. Важно отметить, что смоделированные спектры света очень точно соответствовали тому, что астрономы наблюдают в реальных системах. Такое сильное совпадение позволяет делать более уверенные выводы из ограниченных наблюдательных данных и углубляет понимание учёными того, как функционируют эти далёкие объекты.
Институт перспективных исследований имеет долгую историю развития науки через вычислительное моделирование. Одним из ранних этапов был Проект электронного компьютера, возглавляемый профессором–основателем Джоном фон Нейманом (1933–1955), который повлиял на области от гидродинамики до климатологии и ядерной физики. Продолжая эту традицию, Чжан и его коллеги получили доступ к двум из самых мощных суперкомпьютеров мира – Frontier в Национальной лаборатории Ок–Ридж и Aurora в Национальной лаборатории Аргонн. Эти экзаскейльные машины могут выполнять квинтиллион вычислений в секунду и занимают тысячи квадратных футов – что напоминает о массивных размерах самых ранних компьютеров.
Использование этой вычислительной мощности потребовало сложной математики и программного обеспечения, разработанного специально для этой задачи. Кристофер Уайт из Института Флэтайрон и Принстонского университета руководил разработкой алгоритма переноса излучения. Патрик Маллен, член (2021–2022) Школы естественных наук, ныне работающий в Национальной лаборатории Лос–Аламоса, руководил интеграцией этого алгоритма в код AthenaK, который оптимизирован для экзаскейльных систем.
Команда планирует проверить, применим ли их подход ко всем типам чёрных дыр. Помимо систем звёздной массы, симуляции также могут пролить новый свет на сверхмассивные чёрные дыры, которые играют центральную роль в формировании галактик. Будущая работа будет направлена на дальнейшее уточнение того, как излучение взаимодействует с материей в широком диапазоне температур и плотностей. «Уникальность этого проекта состоит, с одной стороны, в затраченных времени и усилиях на разработку прикладной математики и программного обеспечения, способных моделировать столь сложные системы, а с другой – в получении очень больших вычислительных мощностей на крупнейших суперкомпьютерах мира для выполнения этих расчетов, – сказал соавтор Джеймс Стоун, профессор Школы естественных наук Института перспективных исследований. – Теперь задача состоит в том, чтобы понять всю научную информацию, которая из этого следует».
