Астрофизики увеличили скорость поглощения материи черными дырами

Классическое представление аккреционного диска черной дыры знакомо каждому любителю астрономии. Визуализация в стиле «Интерстеллара» несколько модифицировала этот образ, но принципиально ничего не изменилось.

Есть очень много вещества, оно собирается в сравнительно тонкий диск и медленно падает на черную дыру. Чем ближе к горизонту событий — тем выше скорость движения материи, чаще столкновения и другие взаимодействия, выше температура. Следовательно, излучение интенсивнее.

Особенно крупные черные дыры способны собрать так много вещества, что внутренние регионы аккреционного диска сияют тысячекратно ярче всех звезд в окружающей галактике, вместе взятых. Однако даже наиболее яркие и массивные объекты описываются моделями, в которых протекающие в аккреционном диске процессы развиваются медленно. Находящаяся на грани небытия материя совершает множество оборотов вокруг черной дыры, прежде чем пропадет окончательно.

Аккреционный диск вокруг сверхмассивной черной дыры разорван на два субдиска — внутренний и внешний. На внешнем видны волны напряжений, возникающие из-за того, что он вращается не соосно с черной дырой. Внутренний субдиск уже ориентирован с плоскостью вращения черной дыры / © Nick Kaaz, Northwestern University

Большинство существующих моделей черной дыры не допускают каких-либо скоротечных событий. Астрономические наблюдения в целом такую картину мира подтверждают. Но есть исключения.

Часть квазаров — экстремально ярких активных центров галактик — ведет себя не совсем так. Некоторые из них радикально меняют свою яркость за считаные месяцы или даже недели, чего не должно происходить. Не может же вся внутренняя часть аккреционного диска внезапно исчезнуть?

Астрофизики из Северо-Западного университета (NU), США, нашли объяснение подобным явлениям. Для этого им потребовалось объединить в единый комплекс сразу несколько моделей. В результате одновременно учитывали эффекты Общей теории относительности, газодинамики и магнитной гидродинамики. Чтобы обсчитать такую модель с беспрецедентным разрешением, применили суперкомпьютер Summit (пятая строчка в TOP500).

Помимо высокой детализации своей симуляции, американские исследователи добавили в нее еще одно новшество. Дело в том, что ранее моделирование аккреционных дисков предполагало их сонаправленное вращение с черной дырой. В новой симуляции ось и направление вращения черной дыры не совпадают с осью и направлением вращения аккреционного диска. Ведь падающая материя не обязана знать, куда крутится притягивающий ее сверхмассивный объект.

Аккреционный диск вокруг сверхмассивной черной дыры разорван на два субдиска — внутренний и внешний. На внешнем видны волны напряжений, возникающие из-за того, что он вращается не соосно с черной дырой. Внутренний субдиск уже ориентирован с плоскостью вращения черной дыры / © Nick Kaaz, Northwestern University

Результатом стали удивительные эффекты. Внутренняя часть аккреционного диска разбилась на несколько меньших колец, прецессирующих и разрываемых на части ударными волнами. Из-за этого скорость поглощения вещества черной дырой возросла в разы. Тот объем, который она должна была «съесть» за столетия, пропадал всего за несколько месяцев.

И внутренняя, самая яркая, часть аккреционного диска быстро исчезала. Освободившееся место занимала материя, вращающаяся дальше, — и процесс повторялся. Очень похоже на нерегулярную яркость некоторых квазаров.

Исследование американских астрофизиков наглядно показало, какую большую роль в современной науке играет доступность огромных вычислительных мощностей. Широко используемые учеными модели черных дыр, которые не могли показать такое их поведение, — неплохие. Они недостаточно детализированы, чтобы описать любые примеры, кроме наиболее простых и распространенных. И дабы объединить несколько таких моделей в полную картину, требуются наиболее производительные суперкомпьютеры в мире.

Новая симуляция не использовала никаких радикально новых данных или моделей. Разрыв внутренних частей аккреционного диска объясняется давно известным эффектом Лензе — Тирринга: сверхмассивные черные, дыры вращаясь, увлекают за собой пространство-время вокруг — это называется увлечением инерциальных систем отсчета (frame-dragging).

Увлечение инерциальных систем отсчета (frame-dragging) как одно из следствий существования вращающихся массивных объектов согласно Общей теории относительности было предсказано давно. На практике подтвердить его существование удается нечасто, одно из последних доказательств — многолетние наблюдения пульсара PSR J1141-6545, вращающегося вокруг белого карлика. Благодаря точному измерению импульсов излучения от этого источника астрофизики смогли заметить изменения его орбитальных параметров (прецессию), вызванные эффектом Лензе — Тирринга (на иллюстрации) / © Mark Myers, OzGrav ARC Centre of Excellence

Когда вращающаяся вокруг черной дыры материя встречает на своем пути такие возмущения пространства-времени, они передают ей дополнительную энергию. Из-за этого вещество меняет свою траекторию и формирует субдиски, прецессирующие как волчки.

Как только их напряжение достигает определенного предела, материя сбивается в более плотные сгустки, еще быстрее падающие на черную дыру. Дополняют картину столкновения внутреннего и внешнего субдисков: их образуется несколько, прецессируют они с разной скоростью и разрываются тоже не одновременно. Это еще раз ускоряет падение материи на черную дыру.

Научная работа с описанием моделирования и результатами его анализа опубликована в рецензируемом журнале The Astrophysical Journal. Ее значение еще предстоит оценить. Но потенциально труд специалистов из Северо-Западного университета способен здорово скорректировать общее понимание скорости эволюции черных дыр во Вселенной.

Если они способны «кушать» гораздо быстрее, чем ранее считалось, то и галактики со сверхмассивными черными дырами в центре могли появиться раньше.