Нове відкриття може пояснити, чому квазари спалахують і згасають так швидко.
Нове дослідження, яке виконали дослідники Північно-Західного університету (Northwestern University), змінює уявлення астрофізиків про «харчові» звички надмасивних чорних дір. Тоді як раніше науковці висунули гіпотезу про те, що чорні діри споживають речовину повільно, нове моделювання показує: чорні діри поглинають її набагато швидше, ніж це передбачали досі. Результати дослідження оприлюднив The Astrophysical Journal.
Згідно з новим 3D-моделюванням з високою роздільною здатністю, обертові чорні діри скручують навколишній простір-час і зрештою розривають на частини бурхливий вир газу або акреційний диск, який їх оточує та живить. Це призводить до того, що диск розпадається на внутрішній і зовнішній піддиски. Чорні діри спочатку поглинають внутрішнє кільце. Потім речовина із зовнішнього субдиска перетікає всередину, щоб заповнити щілину, утворену після повністю з’їденого внутрішнього кільця, і процес поглинання повторюється.
Один цикл нескінченно повторюваного процесу поглинути—поповнити речовину—поглинути триває лічені місяці — дивовижно швидкий часовий масштаб як порівняти з сотнями років, які дослідники відводили на це раніше. Нове відкриття може допомогти пояснити драматичну поведінку деяких найяскравіших об’єктів на нічному небі, зокрема квазарів, які раптово спалахують, а потім відносно швидко згасають.
«Класична теорія акреційного диска передбачає, що диск розвивається повільно», — сказав Нік Кааз (Nick Kaaz) з Північно-Західного університету, який керував дослідженням. «Але деякі квазари — які є наслідком того, що чорні діри поглинають газ зі своїх акреційних дисків — схоже, різко змінюються в часових масштабах від місяців до років. Ця варіація така різка. Схоже, що внутрішня частина диска — звідки надходить більшість світла — руйнується, а потім поповнюється. Класична теорія акреційного диска не може пояснити цю різку зміну. Але явища, які ми бачимо в наших комп’ютерних моделях (симуляціях), потенційно можуть пояснити це. Швидкий сплеск випромінювання та згасання відповідає руйнуванню внутрішніх областей диска».
Нік Кааз — аспірант з астрономії Північно-Західного коледжу мистецтв і наук Вайнберга (Northwestern’s Weinberg College of Arts and Sciences) та членом Центру міждисциплінарних студій і досліджень в астрофізиці (Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics, CIERA). Його консультує співавтор статті Олександр Чеховський (Alexander Tchekhovskoy), доцент кафедри фізики та астрономії колледжу Вайнберга та член CIERA.
Помилкові припущення
Акреційні диски, що оточують чорні діри, є фізично складними об’єктами, тому їх неймовірно важко моделювати. Теоретики намагалися пояснити, чому ці диски сяють так яскраво, а потім раптово тьмяніють — іноді аж до повного зникнення. Попередні дослідники помилково припускали, що акреційні диски є відносно впорядкованими. У таких моделях газ і частинки обертаються навколо чорної діри в тій же площині, що й чорна діра, і в напрямку її обертання. Потім, протягом сотень і сотень тисяч років, частинки газу поступово по спіралі падають в чорну діру, щоб живити її.
«Протягом десятиліть науковці робили дуже важливе припущення, що обертання акреційних дисків збігається (узгоджується) з обертанням чорної діри», — сказав Кааз. «Але газ, який живить ці чорні діри, не обов’язково знає, у який бік обертається чорна діра, то чому вони автоматично мають обертатися однаково? Зміна узгодження обертання кардинально змінює картину».
Моделювання, яке виконали дослідники, донині є симуляцією акреційних дисків із найвищою роздільною здатністю. Воно вказує на те, що регіони довкола чорної діри є набагато хаотичнішими та турбулентнішими, ніж вважалося раніше.
Більше схоже на гіроскоп, ніж на тарілку
За допомогою Summit, одного з найбільших у світі суперкомп’ютерів, розташованого в Національній лабораторії Оук-Риджа, дослідники виконали тривимірне моделювання тонкого нахиленого акреційного диска методом загальної релятивістської магнітогідродинаміки (general relativistic magnetohydrodynamics, GRMHD). Тоді як попередні симуляції були недостатньо потужними, щоб враховувати всю фізику, потрібну для побудови реалістичної чорної діри, модель науковців з Північно-Західного університету включає газову динаміку, магнітні поля та загальну теорію відносності, щоб скласти більш повну картину.
«Чорні діри — це екстремальні релятивістські об’єкти, які впливають на простір-час навколо них», — сказав Кааз. «Отже, коли вони обертаються, вони захоплюють простір навколо себе, як гігантська карусель, і змушують його також обертатися — явище, яке називають «перетягуванням кадру» (frame-dragging — захоплення інерціальних систем відліку чи ефект Лензе — Тіррінґа). Це створює справді сильний ефект поблизу чорної діри, який стає дедалі слабшим на відстані».
Ефект Лензе — Тіррінґа змушує весь диск коливатися по колу, подібно до прецесії гіроскопа. Але коливання внутрішнього диска набагато швидше, ніж зовнішньої частини. Ця невідповідність сил викликає деформацію всього диска, що призводить до зіткнення газу з різних частин диска. Зіткнення спричиняють сильні поштовхи, які різко наближають речовину до чорної діри.
У міру того, як деформація стає сильнішою, найвнутрішня область акреційного диска коливається все швидше і швидше, поки не відірветься від решти диска. Потім, згідно з новим моделюванням, субдиски починають розвиватися незалежно один від одного. Замість того, щоб плавно рухатися разом, як плоска пластина, що оточує чорну діру, субдиски незалежно коливаються з різними швидкостями та під різними кутами, як колеса в гіроскопі.
«Коли внутрішній диск відривається, він буде прецесувати незалежно», — сказав Кааз. «Він прецесує швидше, бо міститься ближче до чорної діри і тому, що він малий, тому його легше рухати».
«Там, де перемагає чорна діра»
Згідно з новим моделюванням, область розриву — де внутрішній і зовнішній субдиски роз’єднуються — це місце, де справді починається зміна у споживанні речовини чорною дірою. Тоді як тертя намагається утримати диск разом, обертова чорна діра через скручування простору-часу хоче розірвати його на частини.
«Існує конкуренція між обертанням чорної діри та тертям і тиском усередині диска», — зауважив Кааз. «Ділянка розриву — це місце, де перемагає чорна діра. Внутрішній і зовнішній диски стикаються один з одним. Зовнішній диск збриває шари внутрішнього диска, штовхаючи його всередину». Піся цього субдиски перетинаються під різними кутами. Зовнішній диск спрямовує речовину на внутрішній диск. Ця додаткова маса також штовхає внутрішній диск до чорної діри, який вона і поглинає. Потім гравітація чорної діри тягне газ із зовнішньої області до внутрішньої, яка тепер порожня, щоб заповнити її.
Зв’язок із квазарами
Кааз сказав, що ці швидкі цикли поглинути—поповнити речовину—поглинути потенційно пояснюють зміну вигляду так званих квазарів. Квазари — дуже яскраві об’єкти, які випромінюють у 1000 разів більше енергії, ніж усі 200—400 мільярдів зір Молочного Шляху. Змінні квазари ще екстремальніші. Здається, вони вмикаються та вимикаються протягом кількох місяців — невеликий проміжок часу для типового квазара.
Хоча класична теорія висувала припущення щодо того, як швидко еволюціонують та змінюють яскравість акреційні диски, спостереження за квазарами з швидкою зміною блиску показують: такі об’єкти еволюціонують набагато, набагато швидше.
«Внутрішня область акреційного диска, звідки походить більша частина випромінювання, може повністю зникнути — дуже швидко протягом місяців», — зазначив Кааз. «Ми спостерігаємо це як повне затухання квазара. Система перестає світити. Потім він знову світлішає, і процес повторюється. Звичайна теорія не може пояснити, чому він взагалі зникає, і не пояснює, як він так швидко спалахує».
Нове моделювання не тільки потенційно пояснює квазари, але також може відповісти на актуальні питання про таємничу природу чорних дір. «Як газ потрапляє в чорну діру, щоб її живити, є центральним питанням фізики акреційного диска», — сказав Кааз. «Якщо ви знаєте, як це відбувається, це скаже вам, скільки часу існує диск, який він яскравий і який виглядати має випромінювання, коли ми реєструємо його за допомогою телескопів».
За інф. з сайту www.eurekalert.org підготував Іван Крячко
