Ett internationellt team har konstruerat de mest detaljerade, högsta upplösningssimulering av ett svart hål hittills. Simuleringen bevisar teoretiska förutsägelser om arten av ackretionsskivor - den materia som kretsar runt och så småningom faller in i ett svart hål - som aldrig tidigare har setts.

Forskningen kommer att publiceras den 5 juni i Månatliga meddelanden från Royal Astronomical Society .

Bland fynden, teamet av beräkningsastrofysiker från Northwestern University, universitetet i Amsterdam och universitetet i Oxford fann att den innersta delen av en ackretionsskiva är i linje med dess svarta håls ekvator.

Denna upptäckt löser ett långvarigt mysterium, ursprungligen presenterad av Nobelprisvinnande fysikern John Bardeen och astrofysikern Jacobus Petterson 1975. Då, Bardeen och Petterson hävdade att ett snurrande svart hål skulle få den inre delen av en lutad ackretionsskiva att passa in i det svarta hålets ekvatorialplan.

Efter ett decennier långt, global kapplöpning för att hitta den så kallade Bardeen-Petterson-effekten, lagets simulering visade att, medan det yttre området av en accretionskiva förblir lutad, skivans inre område är i linje med det svarta hålet. En slät varp förbinder de inre och yttre områdena. Teamet löste mysteriet genom att tunna ut ackretionsskivan till en aldrig tidigare skådad grad och inkludera den magnetiserade turbulensen som får skivan att ansamlas. Tidigare simuleringar gjorde en avsevärd förenkling genom att bara approximera effekterna av turbulensen.

"Denna banbrytande upptäckt av Bardeen-Petterson-uppriktningen löser ett problem som har förföljt astrofysikgemenskapen i mer än fyra decennier, " sa Northwesterns Alexander Tchekhovskoy, som var med och ledde forskningen. "Dessa detaljer runt det svarta hålet kan verka små, men de påverkar enormt vad som händer i galaxen som helhet. De styr hur snabbt de svarta hålen snurrar och, som ett resultat, vilken effekt svarta hål har på hela deras galaxer."

Tchekhovskoy är biträdande professor i fysik och astronomi vid Northwesterns Weinberg College of Arts and Sciences och medlem av CIERA (Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics), ett begåvat forskningscenter vid Northwestern fokuserat på att främja astrofysikstudier med tonvikt på tvärvetenskapliga kopplingar. Matthew Liska, en forskare vid universitetet i Amsterdam Anton Pannenkoek Institute for Astronomy, är tidningens första författare.

"Dessa simuleringar löser inte bara ett 40-årigt problem, men de har visat att i motsats till vanligt tänkande, det är möjligt att simulera de mest lysande ackretionsskivorna i full generell relativitetsteori, ", sa Liska. "Detta banar väg för en nästa generation av simuleringar, som jag hoppas kommer att lösa ännu viktigare problem kring luminous accretion disks."

Svår anpassning

Nästan allt forskare vet om svarta hål har lärt sig genom att studera accretion diskar. Utan den intensivt ljusa ringen av gas, damm och annat stjärnskräp som virvlar runt svarta hål, astronomer skulle inte kunna upptäcka ett svart hål för att studera det. Accretion-skivor styr också ett svart håls tillväxt och rotationshastighet, så att förstå arten av accretion diskar är nyckeln till att förstå hur svarta hål utvecklas och fungerar.

"Justering påverkar hur ackretionsskivor vrider sina svarta hål, " Sa Tchekhovskoy. "Så det påverkar hur ett svart håls spinn utvecklas över tiden och lanserar utflöden som påverkar utvecklingen av deras värdgalaxer."

Från Bardeen och Petterson fram till idag, simuleringar har varit för förenklade för att hitta den våningsplanerade inriktningen. Två huvudfrågor har fungerat som en barriär för beräkningsastrofysiker. För en, ackretionsskivor kommer så nära det svarta hålet att de rör sig genom skev rumtid, som rusar in i det svarta hålet i enorm hastighet. Att komplicera saken ytterligare, det svarta hålets rotation tvingar rum-tiden att snurra runt det. Att korrekt redogöra för båda dessa avgörande effekter kräver generell relativitetsteori, Albert Einsteins teori som förutsäger hur objekt påverkar rum-tidens geometri runt dem.

Andra, astrofysiker har inte haft datorkraft för att ta hänsyn till magnetisk turbulens, eller omrörningen inuti ackretionsskivan. Denna omrörning är det som gör att skivans partiklar håller ihop i en cirkulär form och det som gör att gas så småningom faller in i det svarta hålet.

"Föreställ dig att du har den här tunna skivan. Sedan, dessutom, du måste lösa de turbulenta rörelserna inuti skivan, " sa Tchekhovskoy. "Det blir ett riktigt svårt problem."

Utan att kunna lösa dessa funktioner, Beräkningsforskare kunde inte simulera realistiska svarta hål.

Knäcker koden

För att utveckla en kod som kan utföra simuleringar av titulerade accretion-skivor runt svarta hål, Liska och Tchekhovskoy använde grafiska bearbetningsenheter (GPU) istället för centrala bearbetningsenheter (CPU). Extremt effektiv på att manipulera datorgrafik och bildbehandling, GPU:er påskyndar skapandet av bilder på en skärm. De är mycket effektivare än processorer för datoralgoritmer som bearbetar stora mängder data.

Tchekhovskoy liknar GPU:er med 1, 000 hästar och processorer till en 1, 000 hästkrafter Ferrari.

"Låt oss säga att du behöver flytta in i en ny lägenhet, " förklarade han. "Du kommer att behöva göra många resor med denna kraftfulla Ferrari eftersom den inte får plats med många lådor. Men om du kunde sätta en box på varje häst, du kunde flytta allt på en gång. Det är GPU:n. Den har många element, var och en är långsammare än de i processorn, men det finns så många av dem."

Liska lade också till en metod som kallas adaptiv nätförfining, som använder ett dynamiskt nät, eller rutnät, som förändras och anpassar sig till rörelseflödet under hela simuleringen. Det sparar energi och datorkraft genom att bara fokusera på specifika block i nätet där rörelse sker.

GPU:erna påskyndade simuleringen avsevärt, och det adaptiva nätet ökade upplösningen. Dessa förbättringar gjorde det möjligt för teamet att simulera den tunnaste ackretionsskivan hittills, med ett förhållande mellan höjd och radie på 0,03. När skivan simulerades så tunn, forskarna kunde se anpassning ske precis bredvid det svarta hålet.

"De tunnaste skivorna som simulerats tidigare hade ett förhållande mellan höjd och radie på 0,05, och det visar sig att alla intressanta saker händer vid 0,03, " sa Tchekhovskoy.

Som ett överraskande fynd, även med dessa otroligt tunna ackretionsskivor, det svarta hålet avgav fortfarande kraftfulla strålar av partiklar och strålning.

"Ingen förväntade sig att strålar skulle produceras av dessa skivor i så små tjocklekar, ", sa Tchekhovskoy. "Folk förväntade sig att magnetfälten som producerar dessa strålar bara skulle riva igenom dessa riktigt tunna skivor. Men där är de. Och det hjälper oss faktiskt att lösa observationsmysterier."