Тень и свет: суперкомпьютеры раскрывают тайны черной дыры M87

В 2019 году мир впервые увидел изображение черной дыры в галактике Мессье 87 (M87), расположенной в 55 миллионах световых лет от Земли. Это достижение, ставшее возможным благодаря проекту Event Horizon Telescope (EHT), показало светящийся объект в форме пончика, окруженный турбулентной плазмой и мощными магнитными полями. С тех пор ученые продолжают углублять понимание процессов, происходящих за пределами «тени» черной дыры, особенно в области, близкой к горизонту событий.

Исследование плазмы и магнитных полей

Эндрю Чейл, научный сотрудник Принстонского университета и участник коллаборации EHT, подчеркивает, что ключевой задачей является изучение природы частиц плазмы, поглощаемой черной дырой, а также структуры магнитных полей, которые формируют релятивистские струи (джеты). Эти струи, состоящие из субатомных частиц, простираются на тысячи световых лет и служат индикатором активности сверхмассивной черной дыры в центре M87.

Для анализа этих процессов ученые используют суперкомпьютерное моделирование, которое позволяет учитывать сложное взаимодействие гравитации, магнетизма и высокоэнергетической плазмы. Традиционные модели рассматривают плазму как единую жидкость, но Чейл и его коллеги пошли дальше, разработав метод, который разделяет электроны и протоны, моделируя их взаимодействие индивидуально. Это важно, поскольку относительная температура этих частиц влияет на яркость и поляризацию излучения, регистрируемого EHT.

Противоречия и новые открытия

Результаты моделирования, опубликованные в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, выявили неожиданный дисбаланс: электроны в плазме вокруг M87 оказались примерно в 100 раз холоднее протонов. Это противоречит общепринятым представлениям о нагреве частиц в экстремальных условиях черной дыры и ставит новые вопросы перед физикой плазмы.

Эндрю Чейл отмечает, что существующие модели не могут полностью объяснить низкую поляризацию излучения, наблюдаемую EHT. Это указывает на необходимость пересмотра механизмов нагрева и охлаждения частиц вблизи горизонта событий.

Для проведения расчетов использовались суперкомпьютеры Stampede2 и Stampede3 в Техасском передовом вычислительном центре (TACC), а также система Frontera. Эти ресурсы, предоставленные в рамках программы ACCESS, позволили выполнить серию из 11 сложных симуляций в рамках общерелятивистской магнитогидродинамики (GRMHD). Моделирование учитывало различные скорости вращения черной дыры и динамику ее магнитных полей.

Ученые также работают над созданием «фильма», который покажет эволюцию тени черной дыры на основе данных EHT за несколько лет. Несмотря на стабильность общей структуры тени, ее яркие участки смещаются из-за турбулентных процессов в плазме. Это демонстрирует, что черная дыра — далеко не статичный объект, а динамическая система с хаотическими изменениями.

Исследования черной дыры M87 продолжают раскрывать новые загадки, связанные с физикой плазмы, магнетизмом и гравитацией. Суперкомпьютерное моделирование остается ключевым инструментом для понимания этих экстремальных условий, позволяя ученым проверять гипотезы и корректировать теоретические модели. Работа ученых коллаборации EHT подчеркивает важность междисциплинарного подхода, объединяющего астрономию, физику плазмы и вычислительные технологии.