Genom de första super-datorsimuleringarna i sitt slag, forskare, inklusive en professor vid Northwestern University, har fått ny inblick i ett av de mest mystiska fenomenen i modern astronomi:beteendet hos relativistiska jetplan som skjuter från svarta hål, sträcker sig utåt över miljoner ljusår.

Avancerade simuleringar som skapats med en av världens mest kraftfulla superdatorer visar att jetströmmarna gradvis ändrar riktning på himlen, eller precess, som ett resultat av att rymdtid dras in i det svarta hålets rotation. Detta beteende överensstämmer med Albert Einsteins förutsägelser om extrem gravitation nära roterande svarta hål, publicerad i sin berömda relativitetsteori.

"Att förstå hur roterande svarta hål drar rymdtiden runt dem och hur denna process påverkar det vi ser genom teleskopen är fortfarande en avgörande faktor, svårt att knäcka pussel, sa Alexander Tsjekovskoy, biträdande professor i fysik och astronomi vid Northwestern Weinberg College of Arts and Sciences. "Lyckligtvis, genombrotten inom kodutveckling och språng i superdatorarkitekturen för oss allt närmare att hitta svaren. "

Studien, publicerad i Månatliga meddelanden från Royal Astronomical Society , är ett samarbete mellan Tchekhovskoy, Matthew Liska och Casper Hesp. Liska och Hesp är studiens ledande författare och doktorander vid University of Amsterdam, Nederländerna.

Snabbt snurrande svarta hål uppslukar inte bara materia utan avger också energi i form av relativistiska jetstrålar. Liknar hur vatten i ett badkar bildar en bubbelpool när det går ner i ett avlopp, gas- och magnetfälten som matar ett supermassivt svart hål virvlar runt för att bilda en roterande skiva - en trasslig spaghetti av magnetfältlinjer blandade i en buljong av het gas. När det svarta hålet förbrukar denna astrofysiska soppa, den suger upp buljongen men lämnar den magnetiska spagettin som hänger ur munnen. Detta gör det svarta hålet till en slags startskiva från vilken energi, i form av relativistiska strålar, skjuter från nätet av vriden magnetisk spagetti.

Strålarna som avges av svarta hål är lättare att studera än själva svarta hålen eftersom strålarna är så stora. Denna studie gör det möjligt för astronomer att förstå hur snabbt jetriktningen ändras, som avslöjar information om det svarta hålets snurrning samt orienteringen och storleken på den roterande skivan och andra svårmätbara egenskaper hos ackumulering av svart hål.

Medan nästan alla tidigare simuleringar betraktade som inriktade skivor, i verkligheten, de flesta galaxernas centrala supermassiva svarta hål tros innehålla lutande skivor - vilket betyder att skivan roterar runt en separat axel än själva svarta hålet. Denna studie bekräftar att om den lutas, skivor ändrar riktning i förhållande till det svarta hålet, som går runt som en snurr. För första gången, simuleringarna visade att sådana lutade skivor leder till föregående jetplan som periodiskt ändrar deras riktning på himlen.

En viktig anledning till att föregående jetplan inte upptäcktes tidigare är att 3D-simuleringar av området som omger ett snabbt snurrande svart hål kräver en enorm mängd beräkningskraft. För att lösa detta problem, forskarna konstruerade den första svarta hålsimuleringskoden accelererad av grafiska processorenheter (GPU:er). Ett National Science Foundation -bidrag gjorde det möjligt för dem att utföra simuleringarna på Blue Waters, en av de största superdatorer i världen, ligger vid University of Illinois.

Sammankomsten av den snabba koden, som effektivt använder en banbrytande GPU-arkitektur, och Blue Waters superdator tillät laget att utföra simuleringar med den högsta upplösningen som någonsin uppnåtts - upp till en miljard beräkningsceller.

"Den höga upplösningen tillät oss, för första gången, för att säkerställa att småskaliga turbulenta skivrörelser fångas exakt i våra modeller, "Tchekhovskoy sa." Till vår förvåning, dessa rörelser visade sig vara så starka att de fick skivan att fetma upp och diskprecessionen stannade. Detta tyder på att precession kan uppstå i skurar. "

Eftersom tillträde till svarta hål är ett mycket komplext system som liknar en orkan, men så långt borta kan vi inte urskilja många detaljer, simuleringar ger ett kraftfullt sätt att förstå teleskopobservationer och förstå hur svarta hål fungerar.

Simuleringsresultaten är viktiga för ytterligare studier som rör roterande svarta hål, som för närvarande bedrivs över hela världen. Genom dessa ansträngningar, astronomer försöker förstå nyligen upptäckta fenomen som de första upptäckten av gravitationella vågor från neutronstjärnkollisioner och de medföljande elektromagnetiska fyrverkerierna samt vanliga stjärnor som uppslukas av supermassiva svarta hål.

Beräkningarna används också för att tolka observationerna från Event Horizon Telescope (EHT), som fångade de första inspelningarna av den supermassiva svarta hålskuggan i Vintergatans centrum.

Dessutom, jets precession kan förklara fluktuationer i ljusintensiteten som kommer från runt svarta hål, kallas kvasi-periodiska oscillationer (QPO). Sådana svängningar kan inträffa på samma sätt som det roterande strålen i en fyr ökar i intensitet när den passerar en observatör. QPO upptäcktes först nära svarta hål (som röntgenstrålar) 1985 av Michiel van der Klis (University of Amsterdam), som är medförfattare till den nya artikeln.