Новое моделирование показывает рост и развитие черных дыр

Группе астрофизиков под руководством Калифорнийского технологического института впервые удалось смоделировать путешествие первородного газа из ранней Вселенной до стадии, когда он оказывается вовлеченным в диск вещества, питающего одну сверхмассивную черную дыру. Новое компьютерное моделирование опровергает представления о таких дисках, которых астрономы придерживались с 1970-х годов, и открывает путь к новым открытиям о том, как растут и эволюционируют черные дыры и галактики.

«Наше новое моделирование стало кульминацией нескольких лет работы двух крупных коллабораций, начатых здесь, в Калтехе, — говорит Фил Хопкинс, профессор теоретической астрофизики.

Первая коллаборация, получившая название FIRE (Feedback in Realistic Environments), сосредоточилась на больших масштабах Вселенной, изучая такие вопросы, как формирование галактик и столкновение галактик. Другой проект, получивший название STARFORGE, был предназначен для изучения гораздо меньших масштабов, в том числе того, как звезды образуются в отдельных облаках газа. «Но между ними был большой разрыв», — объясняет Фил Хопкинс. «Теперь мы впервые преодолели этот разрыв». Для этого исследователям пришлось создать симуляцию с разрешением, более чем в 1000 раз превышающим предыдущее лучшее моделирование в этой области.

К удивлению команды, как сообщается в журнале The Open Journal of Astrophysics, моделирование показало, что магнитные поля играют гораздо большую роль, чем считалось ранее, в формировании и придании формы огромным дискам материала, которые вращаются вокруг сверхмассивных черных дыр и питают их. «Наши теории говорили нам, что диски должны быть плоскими, как блины», — говорит Фил Хопкинс. «Но мы знали, что это не так, потому что астрономические наблюдения показали, что диски на самом деле «пухлые», больше похожие на бисквит. Наше моделирование помогло нам понять, что магнитные поля вспучивают материал диска, делая его более пухлым».

Визуализация активности вокруг сверхмассивных черных дыр с помощью «суперувеличения»

В новом моделировании исследователи провели так называемое «суперувеличение» одной сверхмассивной черной дыры — чудовищного объекта, который находится в центре многих галактик, включая наш Млечный Путь. Эти прожорливые, загадочные тела содержат массу, в тысячи и миллиарды раз превышающую массу Солнца, и поэтому оказывают огромное влияние на все, что оказывается рядом.

Астрономы уже несколько десятилетий знают, что газ и пыль, втягиваемые огромной гравитацией этих черных дыр, не сразу всасываются внутрь. Вместо этого материал сначала образует быстро вращающийся диск, называемый аккреционным. И когда материал уже готов упасть внутрь, он излучает огромное количество энергии, сияя с блеском, не сравнимым ни с чем во Вселенной. Но многое еще неизвестно об этих активных сверхмассивных черных дырах, называемых квазарами, и о том, как формируются и ведут себя питающие их диски.

Хотя изображения дисков вокруг сверхмассивных черных дыр уже получали — в 2022 году телескоп Event Horizon Telescope сделал снимки дисков вокруг черных дыр в центре нашей галактики, а в 2019 году — в Мессье 87, — эти диски гораздо ближе и спокойнее, чем те, что вращаются вокруг квазаров. Чтобы представить, что происходит вокруг этих более активных и удаленных черных дыр, астрофизики обращаются к суперкомпьютерным симуляциям.

Они подают информацию о физике, действующей в этих галактических системах, — все, начиная с основных уравнений, управляющих гравитацией, и заканчивая тем, как обращаться с темной материей и звездами, — в тысячи вычислительных процессоров, работающих параллельно. Эти данные включают в себя множество алгоритмов, или серий инструкций, которым компьютеры должны следовать, чтобы воссоздать сложные явления. Так, например, компьютеры знают, что, когда газ становится достаточно плотным, образуется звезда. Но процесс не так прост.

«Если вы просто скажете, что гравитация тянет все вниз, и в конце концов газ образует звезду, а звезды просто растут, вы все сделаете совершенно неправильно, — объясняет Фил Хопкинс. В конце концов, звезды делают много вещей, которые влияют на их окружение. Они излучают радиацию, которая может нагревать или давить на окружающий газ. Они создают ветры, подобные солнечному ветру нашего Солнца, которые могут влиять на вещество. Они взрываются в виде сверхновых, иногда выбрасывая материал за пределы галактик или изменяя химический состав окружающей среды. Таким образом, компьютеры должны знать все тонкости этой «звездной обратной связи», поскольку она регулирует количество звезд, которые могут образоваться в галактике.

Построение симуляции, охватывающей множество масштабов

Но в таких больших масштабах набор физики, которую важно включить, и возможные приближения отличаются от тех, что используются в меньших масштабах. Например, в галактическом масштабе сложные детали поведения атомов и молекул чрезвычайно важны и должны быть включены в любое моделирование. Однако ученые сходятся во мнении, что когда моделирование сосредоточено на более близкой области вокруг черной дыры, молекулярной химией можно пренебречь, поскольку газ там слишком горячий для существования атомов и молекул. Вместо этого там существует горячая ионизированная плазма.

Создание симуляции, которая могла бы охватить все соответствующие масштабы вплоть до уровня одного аккреционного диска вокруг сверхмассивной черной дыры, было огромной вычислительной задачей, которая также требовала кода, способного справиться со всей физикой. «Были некоторый код, в которых была физика, необходимая для решения мелкомасштабной части задачи, и другой код, в которых была физика, необходимая для решения более крупной, космологической части задачи, но не было ничего, в котором было бы и то, и другое», — говорит Фил Хопкинс.

Ученые использовали программное обеспечение, которое они назвали GIZMO, для крупномасштабного и мелкомасштабного моделирования. Важно, что они построили проект FIRE таким образом, чтобы вся физика, которую они добавили в него, могла работать с проектом STARFORGE, и наоборот. «Мы построили его очень модульно, так чтобы вы могли включать и выключать любые части физики, которые вам нужны для решения конкретной задачи, но все они были кросс-совместимы», — говорит Фил Хопкинс.

Это позволило ученым в последней работе смоделировать черную дыру, масса которой примерно в 10 миллионов раз больше массы нашего Солнца, начиная с ранней Вселенной. Затем симуляция увеличивает масштаб этой черной дыры в тот момент, когда гигантский поток вещества отрывается от облака звездообразующего газа и начинает вращаться вокруг сверхмассивной черной дыры. Симуляция может продолжать увеличивать масштаб, разрешая на каждом шаге все более мелкую область, следуя за газом на его пути к дыре.

Новая симуляция пролетает через клубок сливающихся галактик и в конце концов приближается к активной сверхмассивной черной дыре, или квазару, окруженному вихревым диском вещества, называемым аккреционным диском. Нитевидный поток газа закручивается в диск, втягивая его со скоростью, достаточной для того, чтобы питать самые яркие из известных квазаров во Вселенной. Ближе к концу моделирования магнитные поля отбирают угловой момент у вращающегося диска, что позволяет веществу закручиваться все дальше и дальше, пока оно не достигнет горизонта событий черной дыры, откуда уже не сможет выбраться. Во время моделирования, которое представляет собой один момент времени, масштаб увеличивается в миллиард раз. Цвета показывают плотность газа, причем более яркие цвета означают более высокую плотность. © Caltech/Phil Hopkins group

Удивительно пухлые магнитные диски

«В нашем моделировании мы видим, как вокруг черной дыры формируется аккреционный диск», — говорит Фил Хопкинс. «Мы бы очень обрадовались, если бы просто увидели этот аккреционный диск, но удивительным оказалось то, что смоделированный диск выглядит совсем не так, как мы десятилетиями считали».

В двух основополагающих работах 1970-х годов, описывающих аккреционные диски, питающие сверхмассивные черные дыры, ученые предположили, что тепловое давление — изменение давления, вызванное изменением температуры газа в дисках, — играет доминирующую роль в предотвращении разрушения таких дисков под действием огромной силы тяжести, которую они испытывают вблизи черной дыры. Они считали, что магнитные поля могут играть незначительную роль в укреплении дисков. В отличие от этого, новое моделирование показало, что давление магнитных полей в таких дисках в 10 000 раз превышает давление тепла газа.

«Таким образом, диски почти полностью контролируются магнитными полями», — говорит Фил Хопкинс. «Магнитные поля выполняют множество функций, одна из которых — поддерживать диски и делать материал более пышным».

Это осознание меняет множество прогнозов, которые ученые могут сделать относительно аккреционных дисков, таких как их масса, плотность и толщина, скорость перемещения материала из них в черную дыру и даже геометрия (например, могут ли диски быть однобокими).

Фил Хопкинс надеется, что новая возможность преодолеть разрыв в масштабах при космологическом моделировании откроет множество новых направлений исследований. Например, что происходит в деталях при слиянии двух галактик? Какие типы звезд формируются в плотных областях галактик, где условия не похожи на те, что существуют в окрестностях нашего Солнца? Как могло выглядеть первое поколение звезд во Вселенной? «Нам предстоит еще очень многое сделать», — говорит он.