Door de eerste supercomputersimulaties in hun soort, onderzoekers, waaronder een professor aan de Northwestern University, hebben nieuw inzicht gekregen in een van de meest mysterieuze fenomenen in de moderne astronomie:het gedrag van relativistische jets die uit zwarte gaten schieten, zich naar buiten uitstrekkend over miljoenen lichtjaren.

Geavanceerde simulaties gemaakt met een van 's werelds krachtigste supercomputers laten zien dat de straalstromen van de jets geleidelijk van richting veranderen in de lucht, of preces, als gevolg van het meeslepen van de ruimtetijd in de rotatie van het zwarte gat. Dit gedrag komt overeen met de voorspellingen van Albert Einstein over extreme zwaartekracht in de buurt van roterende zwarte gaten, gepubliceerd in zijn beroemde algemene relativiteitstheorie.

"Begrijpen hoe roterende zwarte gaten de ruimte-tijd om zich heen slepen en hoe dit proces van invloed is op wat we door de telescopen zien, blijft een cruciaal, moeilijk te kraken puzzel, " zei Alexander Tsjechovskoy, assistent-professor natuurkunde en astronomie aan het Weinberg College of Arts and Sciences in Northwestern. "Gelukkig, de doorbraken in code-ontwikkeling en sprongen in de architectuur van supercomputers brengen ons steeds dichter bij het vinden van de antwoorden."

De studie, gepubliceerd in de Maandelijkse mededelingen van de Royal Astronomical Society , is een samenwerking tussen Tchekhovskoy, Matthew Liska en Casper Hesp. Liska en Hesp zijn de hoofdauteurs en promovendi van de studie aan de Universiteit van Amsterdam, Nederland.

Snel ronddraaiende zwarte gaten verzwelgen niet alleen materie, maar zenden ook energie uit in de vorm van relativistische jets. Vergelijkbaar met hoe water in een badkuip een draaikolk vormt terwijl het door een afvoer stroomt, de gas- en magnetische velden die een superzwaar zwart gat voeden, wervelen en vormen een roterende schijf - een verwarde spaghetti van magnetische veldlijnen vermengd tot een bouillon van heet gas. Terwijl het zwarte gat deze astrofysische soep verteert, hij slokt de bouillon op, maar laat de magnetische spaghetti uit zijn mond bungelen. Hierdoor wordt het zwarte gat een soort lanceerplatform van waaruit energie, in de vorm van relativistische jets, schiet uit het web van gedraaide magnetische spaghetti.

De jets die worden uitgezonden door zwarte gaten zijn gemakkelijker te bestuderen dan de zwarte gaten zelf, omdat de jets zo groot zijn. Deze studie stelt astronomen in staat te begrijpen hoe snel de straalrichting verandert, die informatie onthult over de spin van het zwarte gat, evenals de oriëntatie en grootte van de roterende schijf en andere moeilijk te meten eigenschappen van aangroei van zwarte gaten.

Terwijl bijna alle eerdere simulaties uitgelijnde schijven beschouwden, in werkelijkheid, Men denkt dat de centrale superzware zwarte gaten van de meeste sterrenstelsels gekantelde schijven herbergen - wat betekent dat de schijf rond een andere as draait dan het zwarte gat zelf. Deze studie bevestigt dat indien gekanteld, schijven veranderen van richting ten opzichte van het zwarte gat, als een tol ronddraaiend. Voor de eerste keer, de simulaties toonden aan dat dergelijke gekantelde schijven leiden tot voorafgaande jets die periodiek hun richting in de lucht veranderen.

Een belangrijke reden waarom voorafgaande jets niet eerder werden ontdekt, is dat 3D-simulaties van het gebied rond een snel ronddraaiend zwart gat een enorme hoeveelheid rekenkracht vereisen. Om dit probleem aan te pakken, de onderzoekers construeerden de eerste simulatiecode voor een zwart gat, versneld door grafische verwerkingseenheden (GPU's). Dankzij een subsidie ​​van de National Science Foundation konden ze de simulaties uitvoeren op Blue Waters, een van de grootste supercomputers ter wereld, gevestigd aan de Universiteit van Illinois.

De samenvloeiing van de snelle code, die efficiënt gebruik maakt van een geavanceerde GPU-architectuur, en dankzij de Blue Waters-supercomputer kon het team simulaties uitvoeren met de hoogste resolutie die ooit is bereikt - tot wel een miljard rekencellen.

"De hoge resolutie stelde ons in staat, Voor de eerste keer, om ervoor te zorgen dat kleinschalige turbulente schijfbewegingen nauwkeurig worden vastgelegd in onze modellen, ' zei Tchekhovskoy. 'Tot onze verbazing, deze bewegingen bleken zo sterk te zijn dat de schijf dikker werd en de schijfprecessie stopte. Dit suggereert dat precessie tot stand kan komen in bursts."

Omdat accretie op zwarte gaten een zeer complex systeem is dat lijkt op een orkaan, maar zo ver weg gelegen dat we niet veel details kunnen onderscheiden, simulaties bieden een krachtige manier om telescoopobservaties te begrijpen en het gedrag van zwarte gaten te begrijpen.

De simulatieresultaten zijn belangrijk voor verdere studies met roterende zwarte gaten, die momenteel over de hele wereld worden uitgevoerd. Door deze inspanningen, astronomen proberen recent ontdekte verschijnselen te begrijpen, zoals de eerste detecties van zwaartekrachtsgolven door botsingen van neutronensterren en het bijbehorende elektromagnetische vuurwerk, evenals reguliere sterren die worden opgeslokt door superzware zwarte gaten.

De berekeningen worden ook toegepast bij het interpreteren van de waarnemingen van de Event Horizon Telescope (EHT), die de eerste opnames maakte van de superzware zwarte gatschaduw in het centrum van de Melkweg.

Aanvullend, de precessie van de jets zou fluctuaties kunnen verklaren in de intensiteit van het licht dat van rond zwarte gaten komt, zogenaamde quasi-periodieke oscillaties (QPO's). Dergelijke oscillaties kunnen op dezelfde manier optreden als de manier waarop de roterende straal van een vuurtoren in intensiteit toeneemt als deze een waarnemer passeert. QPO's werden voor het eerst ontdekt in de buurt van zwarte gaten (als röntgenstraling) in 1985 door Michiel van der Klis (Universiteit van Amsterdam), wie is een co-auteur van het nieuwe artikel.