Een internationaal team heeft de meest gedetailleerde, simulatie met de hoogste resolutie van een zwart gat tot nu toe. De simulatie bewijst theoretische voorspellingen over de aard van accretieschijven - de materie die ronddraait en uiteindelijk in een zwart gat valt - die nog nooit eerder zijn gezien.

Het onderzoek wordt op 5 juni gepubliceerd in de Maandelijkse mededelingen van de Royal Astronomical Society .

Onder de bevindingen, het team van computationele astrofysici van de Northwestern University, de Universiteit van Amsterdam en de Universiteit van Oxford ontdekten dat het binnenste gebied van een accretieschijf op één lijn ligt met de evenaar van zijn zwarte gat.

Deze ontdekking lost een al lang bestaand mysterie op, oorspronkelijk gepresenteerd door Nobelprijswinnaar natuurkundige John Bardeen en astrofysicus Jacobus Petterson in 1975. Bardeen en Petterson voerden aan dat een ronddraaiend zwart gat ervoor zou zorgen dat het binnenste gebied van een gekantelde accretieschijf in lijn zou komen met het equatoriale vlak van zijn zwarte gat.

Na een decennialange wereldwijde race om het zogenaamde Bardeen-Petterson-effect te vinden, de simulatie van het team vond dat, terwijl het buitenste gebied van een accretieschijf gekanteld blijft, het binnenste gebied van de schijf is uitgelijnd met het zwarte gat. Een gladde schering verbindt de binnen- en buitengebieden. Het team loste het mysterie op door de accretieschijf in een ongekende mate uit te dunnen en de gemagnetiseerde turbulentie op te nemen die ervoor zorgt dat de schijf aangroeit. Eerdere simulaties zorgden voor een aanzienlijke vereenvoudiging door slechts de effecten van de turbulentie te benaderen.

"Deze baanbrekende ontdekking van de uitlijning van Bardeen-Petterson brengt een einde aan een probleem dat de astrofysische gemeenschap al meer dan vier decennia achtervolgt, " zei Alexander Tchekhovskoy van Northwestern, die het onderzoek mede leidde. "Deze details rond het zwarte gat lijken misschien klein, maar ze hebben een enorme invloed op wat er in de melkweg als geheel gebeurt. Ze bepalen hoe snel de zwarte gaten draaien en, als resultaat, welk effect zwarte gaten hebben op hun hele sterrenstelsels."

Tchekhovskoy is een assistent-professor natuurkunde en astronomie aan het Weinberg College of Arts and Sciences in Northwestern en lid van CIERA (Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics), een begiftigd onderzoekscentrum in Northwestern gericht op het bevorderen van astrofysica-onderzoeken met de nadruk op interdisciplinaire verbindingen. Matthijs Liska, een onderzoeker aan het Anton Pannenkoek Instituut voor Sterrenkunde van de Universiteit van Amsterdam, is de eerste auteur van de krant.

"Deze simulaties lossen niet alleen een 40 jaar oud probleem op, maar ze hebben aangetoond dat in tegenstelling tot typisch denken, het is mogelijk om de meest lichtgevende accretieschijven in volledige algemene relativiteitstheorie te simuleren, "Zei Liska. "Dit maakt de weg vrij voor een volgende generatie simulaties, waarvan ik hoop dat het nog belangrijkere problemen rond lichtgevende accretieschijven zal oplossen."

Ongrijpbare uitlijning

Bijna alles wat onderzoekers weten over zwarte gaten is geleerd door accretieschijven te bestuderen. Zonder de intens heldere ring van gas, stof en ander stellair puin dat rond zwarte gaten wervelt, astronomen zouden geen zwart gat kunnen zien om het te bestuderen. Accretieschijven regelen ook de groei en rotatiesnelheid van een zwart gat, dus het begrijpen van de aard van accretieschijven is essentieel om te begrijpen hoe zwarte gaten evolueren en functioneren.

"Uitlijning beïnvloedt hoe accretieschijven hun zwarte gaten verdraaien, "Zei Tchekhovskoy. "Dus het beïnvloedt hoe de spin van een zwart gat in de loop van de tijd evolueert en lanceert uitstromen die de evolutie van hun gastheerstelsels beïnvloeden."

Van Bardeen en Petterson tot heden, simulaties zijn te vereenvoudigd om de legendarische uitlijning te vinden. Twee belangrijke problemen hebben een barrière gevormd voor computationele astrofysici. Voor een, accretieschijven komen zo dicht bij het zwarte gat dat ze door kromgetrokken ruimte-tijd bewegen, die met enorme snelheid het zwarte gat binnenstormt. De zaken nog ingewikkelder maken, de rotatie van het zwarte gat dwingt de ruimte-tijd om eromheen te draaien. Om op de juiste manier rekening te houden met beide cruciale effecten, is algemene relativiteit vereist, De theorie van Albert Einstein die voorspelt hoe objecten de geometrie van ruimte-tijd om hen heen beïnvloeden.

Tweede, astrofysici hebben geen rekenkracht om magnetische turbulentie te verklaren, of het roeren in de accretieschijf. Dit roeren zorgt ervoor dat de deeltjes van de schijf bij elkaar blijven in een cirkelvorm en waardoor er uiteindelijk gas in het zwarte gat valt.

"Stel je voor dat je deze dunne schijf hebt. Dan, Daarbovenop, je moet de turbulente bewegingen in de schijf oplossen, "Zei Tchekhovskoy. "Het wordt een heel moeilijk probleem."

Zonder deze functies op te lossen, computationele wetenschappers waren niet in staat om realistische zwarte gaten te simuleren.

De code kraken

Om een ​​code te ontwikkelen die in staat is simulaties uit te voeren van accretieschijven rond zwarte gaten, Liska en Tchekhovskoy gebruikten grafische verwerkingseenheden (GPU's) in plaats van centrale verwerkingseenheden (CPU's). Uiterst efficiënt in het manipuleren van computergraphics en beeldverwerking, GPU's versnellen het maken van afbeeldingen op een scherm. Ze zijn veel efficiënter dan CPU's voor computeralgoritmen die grote hoeveelheden gegevens verwerken.

Tchekhovskoy vergelijkt GPU's met 1, 000 paarden en CPU's naar een 1, 000 pk Ferrari.

"Laten we zeggen dat je naar een nieuw appartement moet verhuizen, "legde hij uit. "Je zult veel reizen moeten maken met deze krachtige Ferrari omdat er niet veel dozen in passen. Maar als je op elk paard een box zou kunnen zetten, je zou alles in één keer kunnen verplaatsen. Dat is de GPU. Het heeft veel elementen, die elk langzamer zijn dan die in de CPU, maar het zijn er zo veel."

Liska heeft ook een methode toegevoegd die adaptieve mesh-verfijning wordt genoemd, die een dynamische mesh gebruikt, of raster, die tijdens de simulatie verandert en zich aanpast aan de bewegingsstroom. Het bespaart energie en computerkracht door alleen te focussen op specifieke blokken in het raster waar beweging plaatsvindt.

De GPU's versnelden de simulatie aanzienlijk, en de adaptieve mesh verhoogde resolutie. Dankzij deze verbeteringen kon het team de dunste accretieschijf tot nu toe simuleren, met een hoogte-tot-straalverhouding van 0,03. Toen de schijf zo dun werd gesimuleerd, de onderzoekers konden uitlijning zien plaatsvinden vlak naast het zwarte gat.

"De dunste schijven die eerder zijn gesimuleerd, hadden een hoogte-tot-straalverhouding van 0,05, en het blijkt dat alle interessante dingen gebeuren bij 0,03, ', zei Tchekhovskoy.

In een verrassende bevinding, zelfs met deze ongelooflijk dunne accretieschijven, het zwarte gat straalde nog steeds krachtige stralen van deeltjes en straling uit.

"Niemand had verwacht dat deze schijven met zulke kleine diktes jets zouden produceren, "Zei Tchekhovskoy. "Mensen verwachtten dat de magnetische velden die deze jets produceren gewoon door deze echt dunne schijven zouden scheuren. Maar daar zijn ze. En dat helpt ons eigenlijk om waarnemingsmysteries op te lossen."