Črne luknje so ena najbolj osupljivih in skrivnostnih sil v vesolju. Prvotno napovedano z Einsteinovo teorijo splošne relativnosti, se te točke v vesolju oblikujejo, ko se na koncu masivnih zvezd gravitacijski zrušijo. Kljub desetletjem preučevanja in opazovanja še vedno vemo veliko o tem pojavu.
Znanstveniki so na primer še vedno v temi o tem, kako se obnašajo snovi, ki padejo v orbito okoli črne luknje in se postopoma napajajo nanjo (akumulacijski diski). Zahvaljujoč nedavni študiji, v kateri je mednarodna skupina raziskovalcev izvedla najbolj podrobne simulacije črne luknje do danes, so bila končno potrjena številna teoretična predvidevanja v zvezi z akumulacijskimi diski.
Skupino so sestavljali računalniški astrofiziki z amsterdamskega Inštituta za astronomijo Univerze Antona Pannekoeka, Centra za interdisciplinarno raziskovanje in raziskave astrofizike (CIERA) severozahodne univerze in Univerze v Oxfordu. Njihove raziskave so se pojavile v 5. številki revije Mesečna obvestila Royal Astronomical Society.
Med svojimi ugotovitvami je ekipa potrdila teorijo, ki sta jo leta 1975 izdala James Bardeen in Jacobus Petterson, ki je postala znana kot učinek Bardeen-Petterson. V skladu s to teorijo je ekipa ugotovila, da bo zunanje območje akrecijskega diska ostalo nagnjeno, notranja regija diska pa se bo poravnala z ekvatorjem črne luknje.
Preprosto povedano, skoraj vse, kar raziskovalci vedo o črnih luknjah, smo izvedeli s preučevanjem akumulacijskih diskov. Brez teh svetlih obročkov plina in prahu je malo verjetno, da bi znanstveniki našli črne luknje. Še več, rast in hitrost vrtenja črne luknje sta odvisni tudi od njenega diskrecijskega diska, zaradi česar je njihovo proučevanje bistveno za razumevanje razvoja in obnašanja črnih lukenj.
Kot je povedal Aleksander Češkovski, an
Odkar sta Bardeen in Petterson predlagala svojo teorijo, so simulacije črnih lukenj trpele zaradi številnih vprašanj, ki so jim preprečile, da bi se odločili, ali se bo ta poravnava zgodila. Najprej, ko se nabiralni diski približajo Obzorju dogodkov, pospešijo do ogromne hitrosti in se pomikajo po izkrivljenih območjih vesoljskega časa.
Drugo vprašanje, ki še bolj zaplete, je dejstvo, da vrtenje črne luknje prisili prostor in čas, da se vrti okoli nje. Obe vprašanji zahtevata, da astrofiziki upoštevajo učinke splošne relativnosti, vendar ostaja vprašanje magnetnih turbulenc. Ta turbulenca povzroči, da se delci diska držijo skupaj v krožni obliki in
Do zdaj astrofiziki niso imeli računske moči, da bi vse to obračunavali. Za razvoj močne kode, ki bi lahko izvajala simulacije, ki predstavljajo GR in magnetno turbulenco, je ekipa razvila kodo, ki temelji na grafičnih procesorskih enotah (GPU). V primerjavi s klasičnimi centralnimi procesnimi enotami (CPU) so GPU veliko učinkovitejši pri obdelavi slik in računalniških algoritmih, ki obdelujejo velike dele podatkov.
Skupina je vključila tudi metodo, imenovano prilagodljivo očiščenje mrežice, ki varčuje z energijo, tako da se osredotoči samo na določene bloke, kjer se gibanje pojavlja in se temu primerno prilagaja. Za prikaz razlike je Tchekhovskoy primerjal GPU in
»Recimo, da se morate preseliti v novo stanovanje. Morali boste veliko potovati s tem zmogljivim Ferrarijem, ker ne bo ustrezal mnogim škatlam. Če pa bi lahko na vsakega konja postavili eno škatlo, bi lahko vse premikali naenkrat. To je GPU. Vsebuje veliko elementov, od katerih je vsak počasnejši od tistih v CPU-ju, vendar jih je toliko. "
Nenazadnje je ekipa izvedla simulacijo z uporabo superračunalnikov Blue Waters na Nacionalnem centru za superračunalniške aplikacije (NCSA) na Univerzi v Illinoisu v Urbani-Champaign. Ugotovili so, da je zunanje območje diska, čeprav je mogoče položiti ploščico, notranje območje poravnati s ekvatorjem črne luknje in gladka osnova jih bo povezala.
Poleg tega, da je zapirala dolgoletno razpravo o črnih luknjah in njihovih akumulacijskih diskih, tudi ta študija kaže, da je astrofizika že napredovala od Bardeena in Pettersona. Kot je povzel raziskovalec Matthew Liska:
"Te simulacije ne rešujejo samo 40 let starega problema, ampak so pokazale, da je v nasprotju s tipičnim razmišljanjem možno simulirati najbolj svetle diske za akumulacijo v celotni splošni relativnosti. To bo odprlo pot za novo generacijo simulacij, za katere upam, da bodo rešili še pomembnejše težave v zvezi s svetlobnimi diski. "
Ekipa je razrešila dolgoletno skrivnost učinka Bardeen-Petterson tako, da je do konca brezhibno raztalila akrecijski disk in se odločila za magnetizirano turbulenco, zaradi katere se disk nabira. Prejšnje simulacije so bistveno poenostavile tako, da so le približale učinke turbulenc.
Še več, prejšnje simulacije so delovale s stanjšanimi diski, ki so imeli minimalno razmerje med višino in polmerom 0,05, najbolj zanimivi učinki, ki so jih videli Češkovski in njegovi sodelavci pa so se pojavili, ko je bil disk stanjšan na 0,03. Na njihovo presenečenje je ekipa ugotovila, da črna luknja tudi z neverjetno tankimi akumulacijskimi diski še vedno oddaja delce in sevanje z deležem hitrosti svetlobe (aka. Relativistični curki).
Kot je pojasnil Češkovski, je bila to precej nepričakovana ugotovitev:
»Nihče ni pričakoval, da bodo ti diski proizvajali te diske pri tako majhnih debelinah. Ljudje so pričakovali, da bodo magnetna polja, ki proizvajajo te curke, samo prebila te res tanke diske. Toda tam so. In to nam dejansko pomaga razrešiti skrivnosti opazovanja. "
Glede na nedavne ugotovitve, ki so jih astrofiziki storili glede črnih lukenj in njihovih nabiralnih diskov, lahko rečemo, da živimo v drugi "zlati dobi relativnosti". In ne bi bilo pretiravanja reči, da bi lahko znanstveni izplačila vseh teh raziskav bila neizmerna. Z razumevanjem, kako se materija obnaša v najbolj ekstremnih pogojih, se vedno bolj približujemo učenju, kako se temeljne sile Vesolja združujejo.
