Tim računalnih astrofizičara predstavio je najdetaljnije simulacije dosad napravljene za opis svjetlosti i materije u blizini crnih rupa. Riječ je o prvom numeričkom modelu koji bez aproksimacija spaja gibanje zračenja i ponašanje plina unutar okvira opće teorije relativnosti, čime se postiže razina fizikalne vjernosti koja dosad nije bila moguća. Rezultati nude nova objašnjenja za čitav niz opaženih pojava, uključujući tajanstvene male crvene točke (Little Red Dots) koje je svemirski teleskop James Webb uočio u ranom svemiru.
U novoj studiji, objavljenoj 3. prosinca u časopisu The Astrophysical Journal, istraživači su koristili superračunala Frontier i Aurora Nacionalnih laboratorija Oak Ridge i Argonne. Ta eksaskalna računala mogu izvesti približno kvintilijun operacija u sekundi, što je otvorilo mogućnost izravnog rješavanja jednadžbi koje opisuju širenje zračenja i njegovo međudjelovanje s materijom u snažno zakrivljenom prostor-vremenu.
“Prvi put imamo jasan uvid u akreciju kada se u simulaciju uključe svi procesi koji je doista određuju”, kaže Lizhong Zhang, glavni autor rada i istraživač u Flatiron Institute, Zaklada Simons, New York. Objašnjava da su se raniji modeli morali oslanjati na aproksimacije koje su često mijenjale ishod i desetljećima ograničavale pouzdanost simulacija. Novi pristup pokazuje obrasce koji se jasno podudaraju s opaženim sustavima, od ultraljunosnih rendgenskih izvora do rendgenskih binarnih zvijezda. Prema Zhangu, takve simulacije predstavljaju prvi korak prema numeričkom promatranju crnih rupa, ne kroz teleskop nego kroz računalni model koji vjerodostojno rekonstruira njihovu fiziku.
Zhang je poslijedoktorski istraživač u Institute for Advanced Study (IAS) u Princetonu te u Centru za računalnu astrofiziku (CCA) Flatiron Institute, gdje razvija nove numeričke pristupe za astrofiziku visoke energije. Na radu su sudjelovali i istraživači iz IAS-a, CCA-a, Nacionalnog laboratorija Los Alamos te Sveučilišta Virginije. Studija predstavlja prvi dio planirane serije koja će prikazati novu računalnu metodu i njezinu primjenu na različite vrste sustava s crnim rupama.
Od malih crvenih točaka do akrecijskih diskova
Novi rezultati mogli bi razjasniti podrijetlo stotina neobičnih objekata koje je James Webb otkrio u ranim epohama svemira. Te male crvene točke možda predstavljaju crne rupe koje konzumiraju materijal iznad Eddingtonove granice, gdje tlak zračenja prelazi vrijednost koju bi gravitacija mogla uravnotežiti pod pretpostavkom sfernog toka. Simulacije pokazuju da takvi procesi uistinu mogu proizvesti količine svjetlosti koje se opažaju teleskopom.
U samom radu istražuje se akrecija na crne rupe stelarne mase, čije mase dosežu oko deset Sunčevih masa. Takvi objekti ne mogu se fotografirati u visokoj razlučivosti kao supermasivne crne rupe pa se njihov razvoj mora pratiti analizom spektra zračenja. Budući da se mijenjaju tijekom minuta ili sati, predstavljaju idealan laboratorij za proučavanje dinamičkih procesa u akrecijskim diskovima.
Simulacije otkrivaju kako materijal spiralno tone prema crnoj rupi, pri čemu nastaju turbulentni diskovi u kojima zračenje dominira energetikom toka. Model prikazuje i pojavu snažnih kozmičkih vjetrova te povremeno nastajanje mlazova, što je u dobroj suglasnosti s opaženim spektrom stelarnih crnih rupa. Podudarnost numeričkog i opaženog spektra ključna je jer omogućuje sigurnije tumačenje ograničenih podataka s tih udaljenih objekata.
Novi algoritmi i sljedeći koraci istraživanja
Središnji doprinos studije odnosi se na razvoj algoritama koji izravno rješavaju jednadžbe prijenosa zračenja u okviru opće relativnosti. Raniji modeli tretirali su zračenje poput fluida, što nije moglo vjerno opisati njegovo stvarno ponašanje. Christopher White iz CCA-a i Sveučilišta Princeton vodio je razvoj novog algoritma, dok je Patrick Mullen iz Nacionalnog laboratorija Los Alamos prilagodio njegovu implementaciju za eksaskalne računalne sustave. Simulacije se temelje na pristupu koji je ranije razvio Yan-Fei Jiang iz CCA-a, a koji spaja kutno ovisni opis širenja zračenja s modelom strujanja plina oko rotirajućeg tijela u snažnom magnetskom polju. Taj je pristup danas standard u brojnim područjima astrofizike.
Sljedeća faza projekta bit će provjera može li novi model obuhvatiti sve glavne vrste crnih rupa, uključujući supermasivne crne rupe u središtima galaksija, te pridonijeti rasvjetljavanju prirode Webbovih malih crvenih točaka. Istodobno, tim planira proširiti algoritme kako bi preciznije opisali različite oblike međudjelovanja zračenja i materije pri vrlo širokom rasponu temperatura i gustoća.
“Sada je pred nama zadatak razumjeti svu znanost koja iz toga proizlazi”, kaže James Stone, profesor na IAS-u i suautor rada.
Ivan je novinar i autor koji piše o znanosti, svemiru i povijesti. Gostuje kao stručni sugovornik na Science Discovery i History Channelu te piše za Večernji list. Osnivač je Kozmos.hr, prvog hrvatskog portala posvećenog popularizaciji znanosti.
