Kompiuterinis modelis padėjo išspręsti 40 metų narpliotą juodųjų skylių mįslę

Neseniai buvo paskelbta pirmoji supermasyvios juodosios skylės nuotrauka, o dabar astrofizikai dar keliais žingsniais priartėjo prie supratimo, kaip jos susidaro ir vystosi.

Manoma, kad juodoji skylė susidaro vykstant didelės žvaigždės gravitaciniam kolapsui – kai šviesulio gelmėse silpstančios termobranduolinės reakcijos nebeatsveria didžiulės dujų masės gniuždymo, ir visa ji susispaudžia į bematį objektą (singuliarumą) pasižymintį tokia didele trauka, kad iš jo negali ištrūkti niekas, netgi šviesa.

Juodajai skylei iš aplinkinės erdvės siurbiant įvairią medžiagą – dujas, dulkes ir netgi ištisas žvaigždes – susidaro vadinamasis akrecijos diskas. Ši dideliu greičiu skriejančios medžiagos masė smarkiai įkaista ir gali tapti vienu šviesiausių visatos objektų.

Būtent akrecijos diskas yra matomas kaip juodąją skylę gaubianti neryški aureolė nuotraukoje, balandį paskelbtoje projekto „Event Horizon Telescope“ (Įvykių horizonto teleskopas).

Tačiau akrecijos diskas beveik visuomet yra pakrypęs pačios juodosios skylės pusiaujo plokštumos, esančios statmenos jos sukimosi ašiai, atžvilgiu.

1975 metais Nobelio premijos laureatas fizikas Johnas Bardeenas (Džonas Bardinas) ir astrofizikas Jacobus Pettersonas (Jakobas Petersonas) iškėlė prielaidą, kad dėl juodosios žvaigždės sukimosi pasvirusio akrecijos disko vidinė sritis susilygiuoja su pusiaujo plokštuma.

Vis dėlto ilgai nepavyko sukurti modelio, galinčio tiksliai paaiškinti, kaip tai nutinka. Dabar padėtis pasikeitė.

Grupė JAV Šiaurės Vakarų universiteto, taip pat Oksfordo ir Amsterdamo universitetų mokslininkų panaudojo galingus kompiuterinės grafikos procesorius apdoroti didžiuliam duomenų masyvui ir imituoti juodosios skylės sąveiką su akrecijos disku.

Naudota pajėgi kompiuterinė įranga atvėrė galimybes skaičiuojant atsižvelgti į magnetinius trikdžius, atsirandančius įvairioms akrecijos disko dalelėms skriejant skirtingu greičiu.

Būtent šis elektromagnetinis poveikis nukreipia medžiagą kristi į juodosios skylės centrą.

Šiaurės Vakarų universiteto Weinbergų (Veinbergų) meno ir mokslo koledžo profesorius adjunktas Alexander'as Tchekhovskoy (Aleksandras Čechovskojus) medžiagos kaupimąsi šalia juodosios skylės prilygino atsitiktiniam strėlyčių mėtymui į taikinį.

„Jeigu kruopščiai nenusitaikote, niekada nepataikysite į patį vidurį, – aiškino jis. – Lygiai taip pat nutinka, kai [medžiaga] krinta į juodąją skylę – ji pasižymi tam tikru sukimusi, bet šis sukimasis paprastai neturi nieko bendra su juodosios skylės sukimusi. Šie sukimaisi nieko nežino vienas apie kitą.“

Patikimesnės prognozės

Ankstesni modeliai prognozavo, kad akrecijos diske susidaro papildoma trinties jėga, dėl kurios medžiaga galiausiai sukrenta į juodąją skylę.

„Tuo tarpu mūsų modelyje šios trinties prielaidos nenaudojame, – naujienų agentūrai AFP sakė A. Tchekhovskoy. – Pridėjome magnetinius laukus, ir jie iš tikrųjų nulemia nestabilumą, savo ruožtu sukeliantį trinti – ir dėl to disko [medžiaga] įkrinta.“

Ši detalė gali atrodyti nereikšminga, bet iš tikrųjų ji lemia juodųjų skylių sukimosi greitį, tai pat paveikia galaktikas, kurių centruose yra supermasyviosios juodosios skylės.

Remiantis naujuoju modeliu buvo gautas juodosios skylės atvaizdas, sudarytas iš akrecijos disko ir stiprių magnetinių laukų suformuotų dviejų dujų čiurkšlių, kurių kryptis sutampa su juodosios skylės sukimosi ašimi. Modelis rodo, kad akrecijos disko vidinė dalis idealiai sutampa su juodosios skylės pusiaujo plokštuma, nors jo išorinės dalys gali būti pakrypusios.

„Iki šiol buvo nerimaujama, kad atsižvelgus į visas komplikacijas, atsirandančias medžiagai sąveikaujant su juodąja skyle – pavyzdžiui, magnetinius laukus, disko turbulenciją, srautų judėjimą – visi šie dalykai gali suardyti susilygiavimo poveikį“, – sakė A. Tchekhovskoy.

„Nustatėme, kad tai jo nepanaikina – iš tikrųjų disko vidinės dalys susilygiuoja su juodąja skyle, ir dabar galime patikimiau prognozuoti, kaip galėtų atrodyti juodosios skylės“, – pridūrė mokslininkas.