Rýchly sviatok čiernych dier vedcov prekvapuje

Nový výskum ukazuje, že supermasívne čierne diery pohltia okolitý materiál rýchlejšie, než sa doteraz predpokladalo. Tento pohľad, odvodený zo simulácií s vysokým rozlíšením, môže vysvetliť, prečo kvazary tak rýchlo vzplanú a zomierajú.

Nový Severozápadná univerzita-Štúdia LED mení spôsob, akým astrofyzici chápu stravovacie návyky supermasívnych čiernych dier.

Zatiaľ čo predchádzajúci vedci predpokladali, že čierne diery jedia pomaly, nové simulácie naznačujú, že čierne diery jedia oveľa rýchlejšie, než sa tradične predpokladalo.

Štúdia bola zverejnená 20. septembra Astrofyzikálny časopis,

simulačný pohľad

Podľa nových 3D simulácií s vysokým rozlíšením rotujúce čierne diery ohýbajú okolitý časopriestor a v konečnom dôsledku roztrhajú prudké víry plynu (alebo akrečné disky), ktoré ich obklopujú a živia. To má za následok rozdelenie disku na interné a externé poddisky. Čierna diera najskôr pohltí vnútorný prstenec. Potom sa úlomky z vonkajšieho poddisku šíria dovnútra, aby doplnili medzeru, ktorá zostala po úplne spotrebovanom vnútornom krúžku, a proces jedenia sa opakuje.

Jeden cyklus nekonečne sa opakujúceho procesu jedz-doplň-jedz trvá len niekoľko mesiacov – prekvapivo rýchly časový rámec v porovnaní so stovkami rokov, ktoré predtým navrhli výskumníci.

Tento nový objav by mohol pomôcť vysvetliť dramatické správanie niektorých z najjasnejších objektov na nočnej oblohe, vrátane kvazarov, ktoré náhle vzplanú a potom bez vysvetlenia zmiznú.

Toto je simulácia, ktorá ukazuje, ako by sa akrečný disk supermasívnej čiernej diery mohol rozdeliť na dva poddisky, ktoré sú na tomto obrázku nesprávne zarovnané. Poďakovanie: Nick Kaz/Northwestern University

„Klasická teória akréčných diskov predpovedá, že disk sa vyvíja pomaly,“ povedal Nick Kaz z Northwestern, ktorý viedol štúdiu. „Ale zdá sa, že niektoré kvazary – ktoré sú výsledkom čiernych dier, ktoré požierajú plyn zo svojich akrečných diskov – prechádzajú drastickými zmenami v časovom rozmedzí od mesiacov po roky. Tento rozdiel je veľmi drastický. Zdá sa, že vnútro disku – odkiaľ pochádza väčšina svetla – je zničené a potom znovu naplnené. Klasická teória akrečných diskov nedokáže vysvetliť túto širokú variáciu. Ale javy, ktoré vidíme v našich simuláciách, by to mohli potenciálne vysvetliť. Rýchle zjasnenie a stmievanie je v súlade s deštrukciou vnútorných oblastí disku.

Kaz je postgraduálnym študentom astronómie na Northwestern’s Weinberg College of Arts and Sciences a členom Centra pre interdisciplinárny výskum a výskum v astrofyzike (CIERA). Kazovi poradil spoluautor článku Alexander Tchekhovskoy, docent fyziky a astronómie vo Weinbergu a člen CIERA.

mylné predstavy

Akréčné disky okolo čiernych dier sú fyzicky zložité objekty, čo sťažuje ich modelovanie. Tradičná teória sa snažila vysvetliť, prečo tieto disky žiaria tak jasne a potom sa tak náhle stlmia – niekedy až do bodu, keď úplne zmiznú.

Predchádzajúci výskumníci mylne predpokladali, že akrečné disky sú relatívne organizované. V týchto modeloch sa plyn a častice pohybujú čierna diera – V rovnakej rovine ako čierna diera a v rovnakom smere ako rotácia čiernej diery. Potom, v časovom rozmedzí stoviek až stoviek tisíc rokov, častice plynu pomaly špirálovito prúdia do čiernej diery, aby ju napájali.

„Ako sa plyn dostane do čiernej diery, aby ju zásoboval, je ústrednou otázkou fyziky akréčných diskov. Ak viete, ako sa to deje, povie vám, ako dlho disk vydrží, aký je jasný a ako by malo vyzerať svetlo, keď sa naň pozrieme cez ďalekohľad.
– Nick Kaz, hlavný spisovateľ

„Po celé desaťročia ľudia robili obrovský predpoklad, že akréčné disky sú zarovnané s rotáciou čiernej diery,“ povedal Kaz. „Ale plyn, ktorý vyživuje tieto čierne diery, nemusí nevyhnutne vedieť, ktorým smerom sa čierna diera točí, tak prečo by sa automaticky zarovnávali? Zmenou zarovnania sa obraz podstatne zmení.

Simulácia výskumníkov, jedna zo simulácií akrečného disku s najvyšším rozlíšením k dnešnému dňu, naznačuje, že oblasť okolo čiernej diery je oveľa špinavšie a turbulentnejšie miesto, ako sa doteraz predpokladalo.

Viac ako gyroskop, menej ako tanier

Pomocou Summit, jedného z najväčších svetových superpočítačov, ktorý sa nachádza v Národnom laboratóriu Oak Ridge, výskumníci vykonali 3D simulácie všeobecnej relativistickej magnetohydrodynamiky (GRMHD) tenkého, nakloneného akrečného disku. Zatiaľ čo predchádzajúce simulácie neboli dostatočne silné na to, aby zahŕňali všetku potrebnú fyziku potrebnú na vytvorenie realistických čiernych dier, model vedený Northwestern zahŕňa dynamiku plynu, magnetické polia a všeobecnú teóriu relativity, aby sa vytvoril úplnejší obraz.

„Čierne diery sú extrémne všeobecné relativistické objekty, ktoré ovplyvňujú časopriestor okolo nich,“ povedal Kaz. „Keď sa teda otáčajú, sťahujú priestor okolo seba ako obrovský kolotoč a nútia ho otáčať sa tiež – jav nazývaný „preťahovanie snímok.“ V skutočnosti vytvára silný efekt, ktorý je čím ďalej tým slabší.

Ťahanie snímok spôsobuje, že sa celý disk kolíše v kruhoch, podobne ako sa pohybuje gyroskop. Ale vnútorné disky majú tendenciu kývať oveľa rýchlejšie ako vonkajšie. Tento nesúlad síl spôsobuje deformáciu celého disku, čo spôsobuje zrážku plynu s rôznymi časťami disku. Zrážky vytvárajú jasné otrasy, ktoré násilne posúvajú materiál bližšie a bližšie k čiernej diere.

Ako sa deformácia stáva silnejšou, vnútorná oblasť akréčného disku sa stále viac kýva, až sa oddelí od zvyšku disku. Potom podľa nových simulácií začnú subdisky rásť nezávisle od seba. Namiesto toho, aby sa poddisky hladko pohybovali spolu ako plochá doska okolo čiernej diery, kolíšu sa nezávisle pri rôznych rýchlostiach a uhloch, ako kolesá v gyroskope.

„Keď vnútorný disk praskne, bude sa voľne pohybovať,“ povedal Kaz. „Pohybuje sa rýchlejšie, pretože je bližšie k čiernej diere a pretože je menší, je ľahšie sa pohybovať.“

„Kde víťazí čierna diera“

Podľa nových simulácií je oblasť roztrhnutia – kde sa oddeľujú vnútorné a vonkajšie poddisky – miestom, kde v skutočnosti začína šialenstvo kŕmenia. Kým trenie sa snaží udržať disk pohromade, krútenie časopriestoru rotujúcou čiernou dierou ho chce roztrhať.

„Existuje konkurencia medzi rotáciou čiernej diery a trením a tlakom vo vnútri disku,“ povedal Kaz. „Oblasť trhania je miesto, kde víťazí čierna diera. Vnútorné a vonkajšie kotúče na seba narážajú. Vonkajší disk odstraňuje vrstvy vnútorného disku a tlačí ho dovnútra.“

Subdisky sa teraz pretínajú v rôznych uhloch. Vonkajší disk umiestňuje obsah na vrch interného disku. Táto extra hmota tiež tlačí vnútorný disk smerom k čiernej diere, kde je pohltená. Potom vlastná gravitácia čiernej diery ťahá plyn z vonkajšej oblasti smerom k teraz prázdnej vnútornej oblasti, aby ho doplnila.

kvazarové spojenie

Tieto rýchle cykly jedenia-doplnenia-jedenia potenciálne vysvetľujú takzvané „meniace sa“ kvazary, povedal Kaz. Kvazary sú extrémne svietivé objekty, ktoré vyžarujú až 1000-krát viac energie ako celok GalaxiaExistuje 200 až 400 miliárd hviezd. Kvazary meniace formu sú ešte extrémnejšie. Zdá sa, že sa zapínajú a vypínajú v priebehu niekoľkých mesiacov – veľmi krátky čas pre typický kvasar.

Hoci klasická teória predpovedala, ako rýchlo sa akrečné disky vyvíjajú a menia jas, pozorovania meniacich sa kvazarov naznačujú, že sa v skutočnosti vyvíjajú oveľa rýchlejšie.

„Vnútorná oblasť akrečného disku, odkiaľ pochádza väčšina jasu, môže úplne zmiznúť – doslova v priebehu niekoľkých mesiacov,“ povedal Kaz. „V podstate vidíme, že to úplne zmizne. Systém prestane svietiť. Potom znova bliká a proces sa opakuje. Tradičná teória nevie vysvetliť, prečo vôbec mizne, a tiež nevysvetľuje, ako sa tak rýchlo zapĺňa.

Nové simulácie nielenže potenciálne vysvetľujú kvazary, ale môžu tiež odpovedať na pretrvávajúce otázky o záhadnej povahe čiernych dier.

„Ako sa plyn dostane do čiernej diery, aby ju zásoboval, je ústrednou otázkou fyziky akréčných diskov,“ povedal Kaz. „Ak viete, ako sa to stane, povie vám, ako dlho disk vydrží, aký je jasný a ako by malo vyzerať svetlo, keď sa naň pozrieme ďalekohľadom.“

Referencie: Nicholas Kaz, Matthew TP Liska, Jonathan Jacquemin-Ide, Zachary L. „Otrasy trysiek, trhanie disku a streamery urýchľujú rýchle narastanie v 3D GRMHD simuláciách deformovaných tenkých diskov“ od Andalmana, Gibvu Musokeho, Alexandra Tchekhovskoyho a Olivera Portha, 20. september 2023, The Astrophysical Journal,
DOI: 10.3847/1538-4357/ac051

Štúdiu podporilo Ministerstvo energetiky USA a Národná vedecká nadácia.