Astrofizycy przeprowadzili symulację podróży pierwotnego gazu pochodzącego z wczesnego Wszechświata.
Zespołowi astrofizyków pod kierownictwem badaczy z Caltechu po raz pierwszy udało się zasymulować podróż pierwotnego gazu pochodzącego z wczesnego Wszechświata od etapu, w którym zostaje on porwany przez dysk materii napędzający pojedynczą supermasywną czarną dziurę. Nowa symulacja komputerowa podważa koncepcje dotyczące takich dysków sformułowane w latach siedemdziesiątych i toruje drogę do nowych odkryć na temat tego, jak czarne dziury i galaktyki rosną i ewoluują.
Nasza nowa symulacja stanowi kulminację kilku lat pracy dwóch dużych zespołów – badań, które rozpoczęły się na Caltechu – powiedział Phil Hopkins, profesor astrofizyki teoretycznej.
Pierwszy projekt, nazwany FIRE (Feedback in Realistic Environments), koncentrował się na większych skalach we Wszechświecie, badając takie kwestie, jak formowanie się galaktyk i to, co dzieje się, gdy galaktyki się zderzają. Drugi, nazwany STARFORGE, miał za cel badanie znacznie mniejszych skal, w tym tego, jak gwiazdy powstają w poszczególnych obłokach gazu. Naukowcy musieli zbudować symulację o rozdzielczości ponad 1000 razy większej niż poprzednia najlepsza w tej dziedzinie.
Ku zaskoczeniu zespołu, jak donosi „The Open Journal of Astrophysics”, symulacja ujawniła, że pola magnetyczne odgrywają znacznie większą rolę, niż wcześniej sądzono, w formowaniu i kształtowaniu ogromnych dysków materii, które wirują wokół supermasywnych czarnych dziur i zasilają je. Teorie mówiły, że dyski powinny być płaskie jak naleśniki – powiedział Hopkins. Wiedzieliśmy jednak, że to nieprawda, ponieważ obserwacje astronomiczne wykazały, że dyski są w rzeczywistości „puszyste” – bardziej przypominają pulchne ciasto. Symulacja pomogła nam zrozumieć, że pola magnetyczne podtrzymują materię dysku, czyniąc go bardziej puszystym.
W nowej symulacji naukowcy wykonali coś, co nazywają „super przybliżeniem” na pojedynczej supermasywnej czarnej dziurze – monstrualnym obiekcie, który leży w sercu wielu galaktyk, w tym Drogi Mlecznej. Te żarłoczne, tajemnicze ciała mają masę od tysięcy do miliardów razy większą od masy Słońca, przez co wywierają ogromny wpływ na wszystko, co znajdzie się w ich pobliżu.
Astronomowie od dziesięcioleci wiedzą, że gaz i pył wciągane przez ogromną grawitację czarnych dziur nie są natychmiast zasysane. Zamiast tego materia tworzy najpierw szybko wirujący dysk zwany dyskiem akrecyjnym. W momencie, gdy materia ma właśnie wpaść do środka, emituje ogromną ilość energii, świecąc blaskiem nieporównywalnym z niczym we Wszechświecie. Wciąż jednak wiele nie wiadomo o tych aktywnych supermasywnych czarnych dziurach, zwanych kwazarami, oraz o tym, jak tworzą się i zachowują zasilające je dyski.
Podczas gdy dyski wokół supermasywnych czarnych dziur były już wcześniej obrazowane – Teleskop Horyzontu Zdarzeń (EHT) obrazował dyski krążące wokół czarnych dziur w sercu naszej Galaktyki w 2022 roku, a Messier 87 w 2019 roku – dyski te są znacznie lepiej poznane niż te, które wirują wokół kwazarów. Aby zwizualizować to, co dzieje się wokół tych bardziej aktywnych i odległych czarnych dziur, astrofizycy sięgają po symulacje stworzone za pomocą superkomputerów. Przekazują oni informacje na temat fizyki działającej w tych galaktycznych środowiskach – od podstawowych równań rządzących grawitacją po sposób traktowania ciemnej materii i gwiazd – do tysięcy procesorów obliczeniowych pracujących równolegle. Te dane wyjściowe obejmują wiele algorytmów, które komputery muszą wykonać, aby odtworzyć skomplikowane zjawiska – wiedzą na przykład, że gdy gaz staje się wystarczająco gęsty, tworzy się gwiazda, ale proces ten nie jest taki prosty.
Jeśli po prostu powiemy, że grawitacja ściąga wszystko w dół, a następnie gaz tworzy gwiazdę, a gwiazdy po prostu się gromadzą, to wszystko będzie błędne – wyjaśnił Hopkins. Gwiazdy przechodzą wiele procesów, które wpływają na ich otoczenie. Emitują promieniowanie, które może podgrzewać lub wypychać otaczający gaz. Wywołują wiatry, takie jak wiatr słoneczny wytwarzany przez nasze Słońce, które mogą zmiatać materię. Eksplodują jako supernowe, czasami wyrzucając materię poza galaktyki lub zmieniając chemię swojego otoczenia. Komputery muszą więc znać wszystkie tajniki tego „gwiezdnego sprzężenia zwrotnego”, ponieważ reguluje ono liczbę gwiazd, które mogą powstać w galaktyce.
Tworzenie symulacji obejmujących wiele skal
Jednak w tych większych skalach fizyka, który jest najważniejsza do uwzględnienia i jakie przybliżenia można wykonać, różni się od tej w mniejszych skalach – np. w skali galaktycznej skomplikowane szczegóły zachowania atomów i cząsteczek są niezwykle ważne i muszą zostać uwzględnione w każdej symulacji. Naukowcy zgadzają się jednak, że gdy symulacje koncentrują się na bardziej bezpośrednim obszarze wokół czarnej dziury, chemia molekularna może być w większości ignorowana, ponieważ gaz jest tam zbyt gorący, aby mogły istnieć atomy i cząsteczki. Zamiast tego istnieje tam gorąca zjonizowana plazma.
Stworzenie symulacji, która mogłaby objąć wszystkie istotne skale, aż do poziomu pojedynczego dysku akrecyjnego wokół supermasywnej czarnej dziury, było ogromnym wyzwaniem obliczeniowym wymagającym również kodu, który mógłby obsłużyć całą fizykę. Istniało kilka kodów, które posiadały fizykę potrzebną do rozwiązania części problemu na małą skalę i takie, które posiadały fizykę potrzebną do rozwiązania większej, kosmologicznej części problemu – ale żaden nie obejmował obu tych elementów – powiedział Hopkins.
Zespół użył kodu o nazwie GIZMO zarówno dla dużych, jak i małych projektów symulacyjnych. Co ważne, projekt FIRE został pomyślany tak, aby móc współpracować z projektem STARFORGE i odwrotnie. Miał modułowy charakter, dzięki czemu można było włączać i wyłączać dowolne elementy fizyki, które były potrzebne dla danego problemu, ale wszystkie były ze sobą kompatybilne – powiedział Hopkins.
Pozwoliło to badaczom na symulację czarnej dziury o masie około 10 milionów mas Słońca, począwszy od wczesnego Wszechświata. Następnie symulacja przybliża tę czarną dziurę w momencie, gdy gigantyczny strumień materii zostaje oderwany od chmury gazu tworzącego gwiazdy i zaczyna wirować wokół supermasywnej czarnej dziury. Symulacja może kontynuować przybliżanie coraz mniejszego obszaru z zachowaniem wysokiej rozdzielczości, gdy podąża za gazem w drodze do czarnej dziury.
Zaskakująco puszyste dyski magnetyczne
W naszej symulacji widzimy, jak dysk akrecyjny tworzy się wokół czarnej dziury – powiedział Hopkins. Bylibyśmy podekscytowani, gdybyśmy po prostu zobaczyli ten dysk akrecyjny, ale zaskakujące było to, że symulowany dysk nie wygląda tak, jak myśleliśmy od dziesięcioleci, że powinien wyglądać.
W dwóch przełomowych pracach z lat siedemdziesiątych, które opisywały dyski akrecyjne napędzające supermasywne czarne dziury, naukowcy założyli, że ciśnienie termiczne – zmiana ciśnienia spowodowana zmieniającą się temperaturą gazu w dyskach – odgrywa dominującą rolę w zapobieganiu zapadania się takich dysków pod wpływem ogromnej siły grawitacji w pobliżu czarnej dziury. Nowa symulacja wykazała, że ciśnienie pól magnetycznych takich dysków było w rzeczywistości 10 tysięcy razy większe niż ciśnienie wytwarzana przez ciepło gazu.
Dyski są prawie całkowicie kontrolowane przez pola magnetyczne – powiedział Hopkins. Pola te spełniają wiele funkcji, a jedną z nich jest podtrzymywanie dysków i nadawanie materii puszystości.
Zmienia to wiele przewidywań naukowców dotyczących dysków akrecyjnych, takich jak ich masa, gęstość i grubość, jak szybko materia powinna być w stanie przemieszczać się z nich do czarnej dziury, a nawet geometria takich dysków (np. czy dyski mogą być przekrzywione).
Hopkins ma nadzieję, że otworzy to wiele nowych możliwości badawczych. Na przykład: Co się dzieje, gdy dwie galaktyki się łączą? Jakie rodzaje gwiazd tworzą się w gęstych regionach galaktyk, gdzie warunki są inne niż w sąsiedztwie naszego Słońca? Jak mogła wyglądać pierwsza generacja gwiazd we Wszechświecie?
Opracowanie: Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
- Cosmic Simulation Reveals How Black Holes Grow and Evolve
- FORGE’d in FIRE: Resolving the End of Star Formation and Structure of AGN Accretion Disks from Cosmological Initial Conditions
Źródło: Caltech
Na ilustracji: Zdjęcie z symulacji pokazuje kwazara otoczonego wirującym dyskiem akrecyjnym. Źródło: Caltech/grupa Phila Hopkinsa
