Tim astrofizičara na čelu sa Caltech-om uspeo je po prvi put da simulira putovanje prvobitnog gasa koji datira od ranog univerzuma do faze u kojoj biva uvučen u disk materijala koji pokreće jednu supermasivnu crnu rupu. Nova kompjuterska simulacija preokreće ideje o takvim diskovima koje astronomi drže od 1970-ih i otvara put novim otkrićima o tome kako crne rupe i galaksije rastu i evoluiraju.
„Naša nova simulacija označava kulminaciju nekoliko godina rada iz dve velike saradnje započete ovde u Caltech-u“, kaže Fil Hopkins, profesor teorijske astrofizike Ira S. Boven.
Prva saradnja, nazvana FIRE (Feedback in Realistic Environments), fokusirala se na veće razmere u univerzumu, proučavajući pitanja kao što su kako se galaksije formiraju i šta se dešava kada se galaksije sudare. Drugi, nazvan STARFORGE, dizajniran je da ispita mnogo manje razmere, uključujući kako se zvezde formiraju u pojedinačnim oblacima gasa.
„Ali postojao je veliki jaz između njih dvoje“, objašnjava Hopkins. „Sada smo po prvi put premostili taj jaz.
Da bi to uradili, istraživači su morali da naprave simulaciju sa rezolucijom koja je više od 1.000 puta veća od prethodne najbolje na terenu.
Na iznenađenje tima, kako je objavljeno u The Open Journal of Astrophisics, simulacija je otkrila da magnetna polja igraju mnogo veću ulogu nego što se ranije verovalo u formiranju i oblikovanju ogromnih diskova materijala koji se vrte okolo i hrane supermasivne crne rupe.
„Naše teorije su nam govorile da diskovi treba da budu ravni kao palačinke“, kaže Hopkins. „Ali znali smo da ovo nije u redu jer astronomska posmatranja otkrivaju da su diskovi zapravo pahuljasti — više kao anđeoska torta. Naša simulacija nam je pomogla da shvatimo da magnetna polja podupiru materijal diska, čineći ga pahuljastijim.“
Vizuelizacija aktivnosti oko supermasivnih crnih rupa pomoću ‘super zumiranja’
U novoj simulaciji, istraživači su izveli ono što nazivaju „super zumiranjem“ na jednoj supermasivnoj crnoj rupi, monstruoznom objektu koji leži u srcu mnogih galaksija, uključujući i naš Mlečni put. Ova proždrljiva, misteriozna tela sadrže od hiljada do milijardi puta veću masu od Sunca, i na taj način vrše ogroman uticaj na sve što se približi.
Astronomi su decenijama znali da, kako gas i prašina uvlače ogromna gravitacija ovih crnih rupa, oni nisu odmah usisani. Umesto toga, materijal prvo formira brzo kovitlajući disk koji se zove akrecioni disk. A kako materijal samo što nije upao, on zrači ogromnu količinu energije, sijajući sjajem bez premca ni sa čim u univerzumu. Ali još uvek se mnogo ne zna o ovim aktivnim supermasivnim crnim rupama, zvanim kvazari, i kako se formiraju i ponašaju diskovi koji ih hrane.
Dok su diskovi oko supermasivnih crnih rupa snimljeni ranije — Event Horizon Telescope je snimio diskove koji kruže oko crnih rupa u srcu naše galaksije 2022. i Messier 87 2019. — ovi diskovi su mnogo bliži i pitomiji od onih koji se vrte oko kvazara. .
Da bi vizuelizovali šta se dešava oko ovih aktivnijih i udaljenijih crnih rupa, astrofizičari se okreću superkompjuterskim simulacijama. Oni unose informacije o fizici na delu u ovim galaktičkim postavkama – sve od osnovnih jednačina koje upravljaju gravitacijom do načina na koji se tretira tamna materija i zvezde – u hiljade računarskih procesora koji rade paralelno.
Ovaj ulaz uključuje mnoge algoritme, ili serije instrukcija, koje računari treba da prate da bi ponovo kreirali komplikovane pojave. Tako, na primer, kompjuteri znaju da kada gas postane dovoljno gust, formira se zvezda. Ali proces nije tako jednostavan.
„Ako samo kažete da gravitacija sve povlači nadole, a onda na kraju gas formira zvezdu i zvezde se samo nagomilavaju, sve ćete pogrešiti“, objašnjava Hopkins.
Na kraju krajeva, zvezde rade mnoge stvari koje utiču na njihovu okolinu. Oni sijaju zračenje koje može zagrejati ili potisnuti okolni gas. Oni duvaju vetrove poput solarnog vetra stvorenog od našeg sopstvenog sunca, koji može da pomesti materijal. Eksplodiraju kao supernove, ponekad lansirajući materijal iz galaksija ili menjajući hemiju svog okruženja. Dakle, računari takođe moraju znati sve detalje ove „zvezdane povratne informacije“, jer ona reguliše koliko zvezda zapravo može da formira galaksija.
Ali u ovim većim razmerama, skup fizike koji je najvažnije uključiti i koje aproksimacije se mogu napraviti razlikuju se od onih na manjim razmerama. Na primer, na galaktičkoj skali, komplikovani detalji o tome kako se atomi i molekuli ponašaju su izuzetno važni i moraju biti ugrađeni u svaku simulaciju. Međutim, naučnici se slažu da kada se simulacije fokusiraju na bliže područje oko crne rupe, molekularna hemija se uglavnom može zanemariti jer je tamošnji gas previše vruć da bi atomi i molekuli mogli postojati. Umesto toga, ono što postoji je vruća jonizovana plazma.
Stvaranje simulacije koja bi mogla da pokrije sve relevantne razmere do nivoa jednog akrecionog diska oko supermasivne crne rupe bio je ogroman računarski izazov – koji je takođe zahtevao kod koji bi mogao da obradi svu fiziku.
„Postojali su neki kodovi koji su imali fiziku koja vam je potrebna da uradite manji deo problema i neki kodovi koji su imali fiziku koja vam je potrebna da uradite veći, kosmološki deo problema, ali ništa što je imalo oboje“, Hopkins kaže.
Tim predvođen Caltech-om koristio je kod koji nazivaju GIZMO i za velike i za male projekte simulacije. Važno je da su izgradili projekat FIRE da bi sva fizika koju su dodali u njega mogla da radi sa projektom STARFORGE, i obrnuto.
„Napravili smo ga na veoma modularan način, tako da možete da uključite i isključite bilo koji deo fizike koji ste želeli za dati problem, ali svi su bili unakrsno kompatibilni“, kaže Hopkins.
Ovo je omogućilo naučnicima u najnovijem radu da simuliraju crnu rupu koja je oko 10 miliona puta veća od mase našeg Sunca, počevši od ranog univerzuma. Simulacija zatim zumira tu crnu rupu u trenutku kada se džinovski mlaz materijala otkine od oblaka gasa koji stvara zvezde i počne da se vrti oko supermasivne crne rupe. Simulacija može da nastavi da uvećava, rešavajući finije područje na svakom koraku dok prati gas na svom putu ka rupi.
„U našoj simulaciji vidimo ovaj oblik akrecionog diska oko crne rupe“, kaže Hopkins. „Bili bismo veoma uzbuđeni da smo upravo videli taj akrecioni disk, ali ono što je bilo veoma iznenađujuće je da simulirani disk ne izgleda onako kako smo decenijama mislili da treba da izgleda.
U dva ključna rada iz 1970-ih koji su opisali akrecione diskove koji potiču supermasivne crne rupe, naučnici su pretpostavili da termalni pritisak — promena pritiska uzrokovana promenom temperature gasa u diskovima — igra dominantnu ulogu u sprečavanju kolapsa takvih diskova ispod ogromnu gravitaciju koju doživljavaju blizu crne rupe. Priznali su da magnetna polja mogu igrati manju ulogu u pomaganju da se diskovi ojačaju.
Nasuprot tome, nova simulacija je otkrila da je pritisak iz magnetnih polja takvih diskova zapravo 10.000 puta veći od pritiska toplote gasa.
„Dakle, diskovi su skoro potpuno kontrolisani magnetnim poljima“, kaže Hopkins. „Magnetna polja služe mnogim funkcijama, od kojih je jedna da podupiru diskove i čine materijal napuhanim.“
Ova spoznaja menja mnoštvo predviđanja koje naučnici mogu da naprave o takvim akrecionim diskovima, kao što su njihova masa, koliko gusti i debeli treba da budu, koliko brzo materijal treba da može da se kreće od njih u crnu rupu, pa čak i njihovu geometriju (kao što je npr. da li se diskovi mogu iskriviti).
Gledajući unapred, Hopkins se nada da će ova nova sposobnost da se premosti jaz u skali za kosmološke simulacije otvoriti mnoge nove puteve istraživanja. Na primer, šta se dešava u detaljima kada se dve galaksije spoje? Koje vrste zvezda se formiraju u gustim regionima galaksija gde su uslovi drugačiji od onih u našem susedstvu? Kako bi mogla izgledati prva generacija zvezda u svemiru?
„Ima toliko toga da se uradi“, kaže on.
