Новое исследование показывает, что черные дыры разрываются и пожирают пространство-время гораздо быстрее, чем предполагалось ранее

Недавнее исследование исследователей из Северо-Западного университета переворачивает астрофизические правила игры о том, как питаются сверхмассивные черные дыры, показывая, что эти космические гиганты яростно деформируют и разрывают пространство-время, поглощая материю с поразительно быстрыми темпами.

Это открытие может помочь разгадать давние загадки таких явлений, как квазары с «переменным внешним видом», которые внезапно вспыхивают, а затем исчезают без объяснения, потенциально бросая вызов десятилетиям принятых теорий.

В течение многих лет общепринятое мнение предполагало, что черные дыры постепенно и систематически «съедают» и поглощают материю ледниковыми темпами в течение десятков тысяч лет. Однако, используя 3D-моделирование с высоким разрешением, исследователи из Северо-Западного университета нарисовали совсем другую картину.

Согласно новому исследованию, опубликованному 20 сентября Астрофизический журналСверхмассивная черная дыра может завершить один цикл питания всего за несколько месяцев, что противоречит предыдущим оценкам.

«Классическая теория аккреционного диска предсказывает, что диск эволюционирует медленно». Ник Казаспирант астрономии Северо-Западного университета. Вайнбергский колледж искусств и наук Кто руководил исследованием в А заявление. «Но некоторые квазары, возникающие в результате того, что черные дыры поедают газ из своих аккреционных дисков, по-видимому, радикально меняются со временем в течение месяцев или лет».

«Эта разница весьма существенна. Похоже, что внутренняя часть диска, куда поступает большая часть света, разрушается, а затем восстанавливается. Классическая теория аккреционного диска не может объяснить эту резкую разницу. Но явления, которые мы видим в наших симуляциях, могут объяснить это. Яркость и затемнение соответствуют быстрому повреждению внутренних областей диска.

Используйте исследовательскую группу саммитодин из крупнейших в мире суперкомпьютеров, расположенный в Национальной лаборатории Ок-Ридж, провел трехмерное моделирование общей магнитогидродинамики (GRMHD), чтобы изучить, как черные дыры безжалостно пожирают сами себя.

Суперкомпьютер позволил исследователям объединить газовую динамику, магнитные поля и общую теорию относительности, предоставив всестороннее представление о поведении черных дыр и обеспечив одно из когда-либо созданных моделей аккреционных дисков с самым высоким разрешением.

С помощью моделирования исследователи обнаружили, что черные дыры «искажают» окружающее их пространство-время, разрывая аккреционный диск — сильный вихрь газа, который их питает, — на внутренний и внешний поддиски.

Дальше происходит почти кинематографический процесс пожирания, переупаковки и повторения. Черная дыра поглощает внутренний диск, затем обломки внешнего поддиска выливаются внутрь, заполняя пространство и, в свою очередь, поглощаются.

«Черные дыры — это экстремальные общерелятивистские объекты, которые влияют на окружающее их пространство-время», — сказал Каз. «Поэтому, когда он вращается, он притягивает пространство вокруг себя, как гигантская карусель, и заставляет его тоже вращаться — явление, называемое «перетаскиванием кадра». Это создает действительно сильный эффект вблизи черной дыры, который становится все более слабым. дальше.»

Эти быстрые циклы «есть-наполнять-есть», вероятно, объясняют загадочное поведение так называемых квазаров с «переменным внешним видом».

Квазар, сокращение от «квазар-звездный радиоисточник», представляет собой ярко светящееся ядро ​​галактики, питаемое сверхмассивной черной дырой в центре галактики. Квазары, которые излучают энергию, которая могла бы перевесить целую галактику, являются одними из самых ярких и активных объектов во Вселенной, часто видимых на расстоянии миллиардов световых лет.

Квазары с «переменным внешним видом» представляют собой подмножество квазаров, которые демонстрируют необычно быстрые и резкие изменения яркости, могут включаться и выключаться, а также претерпевают большие изменения в яркости или общем внешнем виде. Эти изменения происходят в течение коротких периодов времени, часто от нескольких месяцев до нескольких лет.

Беспорядочные колебания квазаров с переменным внешним видом бросили вызов традиционным астрофизическим теориям, сделав их предметом интенсивного изучения, поскольку исследователи стремятся понять механизмы, которые приводят к таким драматическим переходам.

«Внутренняя область аккреционного диска, откуда исходит большая часть яркости, может полностью исчезнуть — очень быстро, в течение нескольких месяцев», — объяснил Каз. «Мы видим, как он полностью исчезает. Система перестает светиться. Затем она снова загорается, и процесс повторяется. Традиционная теория не может объяснить, почему она вообще исчезла, и не объясняет, как она так быстро наполняется».

Некоторые исследователи сделали предполагаемый Квазары с переменным внешним видом могут быть звездами, которые прошли близко к черной дыре и разорвались на части. У других есть Предложение Эти явления были не квазарами, а скорее мощными сверхновыми.

Благодаря недавнему моделированию с высоким разрешением исследователи полагают, что быстрое исчезновение и новое появление квазаров с переменным внешним видом может быть связано с быстро меняющейся внутренней областью их аккреционных дисков.

По словам Каза, моделирование показывает, что область, где внутренний и внешний поддиски разделяются, является местом, где действительно начинается «безумное кормление» черной дыры.

«Существует конкуренция между вращением черной дыры и трением и давлением внутри диска», — объяснил Каз. «Зона разрыва — это то место, где побеждает черная дыра. Внутренний и внешний диски сталкиваются друг с другом. Внешний диск сбривает слои внутреннего диска, толкая их внутрь.

Традиционные модели часто предполагают, что аккреционные диски организованы и соответствуют вращению черной дыры. Однако Каз говорит, что недавнее моделирование показывает, что эта теория, скорее всего, неверна.

«На протяжении десятилетий люди делали довольно серьезное предположение, что аккреционные диски соответствуют вращению черной дыры», — сказал Каз. «Но газ, питающий эти черные дыры, не обязательно знает, в каком направлении вращается черная дыра, так почему же он автоматически выравнивается? Изменение выравнивания радикально меняет картину».

Моделирование показывает, что вместо равномерного движения внутренний и внешний поддиски колеблются независимо друг от друга с разными скоростями и углами вокруг черной дыры.

Внутренние диски подвержены гораздо более быстрым колебаниям, чем их внешние аналоги. Это изменение вращательных сил приводит к деформации или деформации всего аккреционного диска.

В результате молекулы газа, исходящие из разных областей диска, сталкиваются друг с другом, создавая яркие вспышки света и энергии. Эти высокоэнергетические столкновения действуют как двигатель, подталкивая материю все ближе к гравитации черной дыры.

Таким образом, вместо того, чтобы течь пропорционально к центру черной дыры, как водоворот воды в канализацию, исследователи говорят, что независимые поддиски черной дыры раскачиваются, как колеса гироскопа.

Помимо обеспечения лучшего понимания особенностей питания черных дыр, исследователи надеются, что новые симуляции откроют заманчивые способы дальнейшего изучения природы этих загадочных гигантов, способных искажать саму ткань пространства-времени.

«В конечном счете, очень важно иметь возможность связать наши результаты с наблюдениями, чего можно достичь, производя синтетические наблюдения на основе результатов моделирования, подобных представленным здесь», — подчеркнули исследователи в своих заключительных замечаниях.

Тим Макмиллан — бывший сотрудник правоохранительных органов, репортер-расследователь и соучредитель The Debrief. Его труды обычно посвящены обороне, национальной безопасности, разведывательному сообществу и темам, связанным с психологией. Вы можете следить за Тимом в Твиттере: @LtTimMcMillan. С Тимом можно связаться по электронной почте: [email protected] или по зашифрованной электронной почте: [email protected]