Med hjälp av banbrytande superdatorsimuleringar har forskare gjort ett lockande genombrott för att förstå hur svarta hål interagerar med rum-tid.
Svarta hål är kända för att sluka partiklar och ljus med sina kolossala gravitationseffekter, men det finns ett mystiskt material som lyckas undkomma deras maw. Kända som ”relativistiska jets”, skjuter de ut från svarta hål över miljontals ljusår.
Med tanke på svårigheten att observera och studera svarta hål, vände sig ett team av forskare från Northwestern University och Amsterdam University till kraftfulla superdatorer för att simulera dessa relativistiska jetstrålars handlingar.
”I likhet med hur vatten i ett badkar bildar en bubbelpool när det går ner i ett avlopp, virvlar gasen och magnetfälten som matar ett supermassivt svart hål för att bilda en roterande skiva – en trasslig spagetti av magnetfältslinjer blandade i en buljong av het gas ,” förklarar Northwestern University, i en ganska läcker klingande översikt av forskningen.
”När det svarta hålet förtär denna astrofysiska soppa, slukar det upp buljongen men lämnar den magnetiska spaghettin hängande ur munnen. Detta gör det svarta hålet till ett slags avfyrningsramp från vilken energi, i form av relativistiska jetstrålar, skjuter från nätet av vriden magnetisk spagetti.”
Studien, publicerad i Månatliga meddelanden från Royal Astronomical Society, fann att relativistiska jetstrålar periodiskt ändrar sin riktning på grund av positionen för rum-tid som snurrar runt det svarta hålet.
Medan tidigare simuleringar har tenderat att rikta in den snurrande skivan med det svarta hålets orientering, hävdar forskarna att de flesta supermassiva svarta hål – som det i mitten av vår galax – har lutande skivor, på en annan axel än själva det svarta hålet.
På samma sätt som en snurrtopp kommer att ändra sin orientering när den snurrar (en rörelse som kallas precession), kommer den snurrande skivan runt ett svart hål också att ”vobbla” – ändra riktningen på dess relativistiska strålar.
Att simulera området kring ett snabbt snurrande svart hål kräver en enorm mängd beräkningskraft, därför har det tagit så lång tid för denna precession att upptäckas. Forskarna kunde hantera detta genom att utföra den första svarta hålssimuleringskoden accelererad av grafiska bearbetningsenheter (GPU) med hjälp av Blue Waters superdator. Du kan se resultaten till höger i videon nedan.
”Den höga upplösningen gjorde det möjligt för oss, för första gången, att säkerställa att småskaliga turbulenta skivrörelser fångas exakt i våra modeller”, säger Alexander Tchekhovskoy, biträdande professor i fysik och astronomi vid Northwesterns Weinberg College of Arts and Sciences.
”Till vår förvåning visade sig dessa rörelser vara så starka att de fick disken att tjockna och diskprecessionen att stoppa. Detta tyder på att precession kan uppstå i skur.”
Resultaten från denna studie kommer att vara avgörande för ytterligare undersökningar av svarta hål, såväl som fenomen som gravitationsvågor från kollisioner med neuronstjärnor och uppslukningen av stjärnor av supermassiva svarta hål. Simuleringen används också för att tolka observationer från Event Horizon Telescope (EHT), som undersöker det svarta hålet i hjärtat av Vintergatan.
