В астрофизике чёрные дыры обычно рассматриваются по упрощённой модели Шварцшильда. Реже создаётся симуляция для анализа тех или иных аспектов физики этих объектов. Но чтобы создать комплексную и максимально приближённую к реальности модель чёрной дыры — такого ещё не было. Впервые такую работу провели в США для чёрной дыры звёздной массы, что стало отправной точкой для расширения исследований.
Источник изображений: Flatiron Institute
Отчёт о проделанной работе опубликован в свежем выпуске журнала The Astrophysical Journal. Это самая детальная на сегодняшний день суперкомпьютерная симуляция процессов аккреции вокруг чёрных дыр звёздной массы (сравнимой с солнечной). Исследование выполнено под руководством астрофизика Лижонга Чжана (Lizhong Zhang) из Института Флэтайрон (Flatiron Institute). Группа использовала два мощных суперкомпьютера для моделирования динамики чёрной дыры без прежних упрощений, впервые точно учтя все ключевые физические процессы: вращение чёрной дыры, сильные магнитные поля, общую теорию относительности (движение фотонов в искривлённом пространстве-времени), а также взаимодействие излучения с плазмой и газом.
Симуляции показали, что вокруг быстро вращающейся чёрной дыры с хорошим аппетитом — с высокой скоростью аккреции — формируется толстый газовый диск, который к центру становится плотнее. Как и в жизни, чёрные дыры Шварцшильда с изящными тонкими модельными дисками аккреции взаправду оказались пышками далеко не модельной внешности, о чём говорит изображение выше. При этом мощные магнитные поля организуют поток газа, создавая ветра частиц и направленные джеты (струи плазмы), выбрасываемые наружу. Над полюсами чёрной дыры образуется узкая воронкообразная структура, ускоренно втягивающая материю к горизонту событий и генерирующая интенсивный пучок излучения, видимый только под определёнными углами.
Воссозданная модель объясняет, как чёрные дыры высвобождают огромную энергию через ветра и джеты вместо простого поглощения излучения диском. Результаты расчётов хорошо согласуются с реальными наблюдениями различных чёрных дыр. По словам учёных, это первое моделирование, точно учитывающее излучения чёрной дыры в рамках общей теории относительности, что открывает новые возможности для понимания экстремальных условий вблизи этих объектов.
В своей дальнейшей работе учёные попытаются сопоставить результаты моделирования чёрных дыр звёздной массы с наблюдением сверхмассивных чёрных дыр. Не исключено, что многое из смоделированного найдёт подтверждение в объектах с более крупной массой. Также учёные надеются, что модели помогут объяснить недавно открытые на заре Вселенной «маленькие красные точки» — сверхмассивные чёрные дыры с необычной динамикой в дисках аккреции.