Необычайно резкие колебания светимости некоторых квазаров на протяжении долгого времени вызывали затруднения для исследователей. Ни одна из существующих теорий не могла объяснить столь непредсказуемое поведение самых мощных излучающих объектов во Вселенной. Для решения этой загадки американские астрофизики создали детальную модель, имитирующую процесс потребления вещества сверхмассивными черными дырами.
Образ аккреционного диска черной дыры, знакомый каждому, кто интересуется астрономией, является классическим. Визуализация, представленная в фильме «Интерстеллар», внесла некоторые изменения в этот образ, однако фундаментальные принципы остались прежними.
Существует значительное количество вещества, которое формирует тонкий диск и постепенно аккрецируется на чёрную дыру. По мере приближения к горизонту событий скорость движения материи возрастает, что приводит к увеличению частоты столкновений и других взаимодействий, а также повышает температуру. Соответственно, интенсивность излучения возрастает.
Обладающие значительными размерами черные дыры могут аккумулировать огромное количество вещества, что приводит к тому, что внутренние области аккреционного диска излучают свет, во много раз превосходящий суммарную светимость всех звезд в ближайшей галактике. Тем не менее, даже самые яркие и массивные из этих объектов соответствуют моделям, согласно которым происходящие в аккреционном диске процессы протекают достаточно медленно. Материя, находящаяся на пределе существования, совершает множество витков вокруг черной дыры, прежде чем исчезнуть безвозвратно.
В большинстве ныне существующих моделей черных дыр не предусмотрены процессы, протекающие в кратчайшие сроки. Астрономические данные в основном согласуются с такой интерпретацией. Однако, существуют отклонения от этой закономерности.
Часть квазаров — экстремально яркие активные центры галактик демонстрируют поведение, не соответствующее ожиданиям. Некоторые из них демонстрируют резкие изменения яркости всего за несколько месяцев или даже недель, что кажется невозможным. Неужели вся внутренняя часть аккреционного диска может внезапно исчезнуть?
Астрофизики из Северо-Западного университета (NU), США, предложили объяснение этим явлениям. Для этого потребовалось объединить сразу несколько моделей в единую систему. Таким образом, одновременно учитывались эффекты Общей теории относительности, газодинамики и магнитной гидродинамики. Для расчёта такой модели с беспрецедентным разрешением был задействован суперкомпьютер Summit (пятая строчка в TOP500).
Помимо высокой детализации, американские исследователи внесли в симуляцию и еще одно усовершенствование. Ранее моделирование аккреционных дисков основывалось на предположении об их совместном вращении с черной дырой. В новой симуляции ось и направление вращения черной дыры не совпадают с осью и направлением вращения аккреционного диска. Ведь падающая материя не обязана знать, куда крутится притягивающий ее сверхмассивный объект.
Наблюдаемые изменения привели к поразительным результатам. Внутренняя область аккреционного диска фрагментировалась на более узкие кольца, которые прецессируют и разрушаются под воздействием ударных волн. Это повлекло за собой значительное увеличение скорости поглощения вещества черной дырой. Объем материала, который она должна была бы поглотить за столетия, исчезал всего за несколько месяцев.
Наиболее интенсивная внутренняя область аккреционного диска стремительно исчезала. На освободившееся пространство перемещалась материя, продолжающая вращение, и этот цикл повторялся. Это напоминает нестабильность светимости, характерную для отдельных квазаров.
Работа американских астрофизиков ярко продемонстрировала значимость доступности мощных вычислительных ресурсов для современной науки. Модели черных дыр, активно используемые исследователями, ранее не позволяли отобразить их поведение в полной мере. Они недостаточно детализированы для описания всех случаев, за исключением наиболее простых и распространенных. Для создания комплексной картины путем объединения нескольких таких моделей необходимы самые производительные суперкомпьютеры.
Новая симуляция не основывалась на использовании каких-либо принципиально новых данных или моделей. Разъединение внутренних частей аккреционного диска обусловлено известным эффектом Лензе-Тирринга: вращающиеся сверхмассивные черные дыры увлекают за собой пространство-время, что и называется увлечением инерциальных систем отсчета (frame-dragging).
Встречая на своем пути возмущения пространства-времени, вращающаяся вокруг черной дыры материя получает дополнительную энергию. Это приводит к изменению траектории вещества и формированию субдисков, которые прецессируют, подобно волчкам.
Когда их напряженность достигает критической отметки, вещество начинает формировать более плотные образования, которые еще стремительнее устремляются к черной дыре. Процесс дополняют взаимодействия внутреннего и внешнего субдисков: их наблюдается несколько, они прецессируют с различной скоростью, и распадаются они также неравномерно. Это дополнительно увеличивает скорость падения материи на черную дыру.
Исследование, содержащее описание моделирования и результаты его анализа опубликована в рецензируемом журнале The Astrophysical Journal. Ее значение еще предстоит оценить. Но потенциально труд специалистов из Северо-Западного университета способен здорово скорректировать общее понимание скорости эволюции черных дыр во Вселенной.
Если скорость поглощения вещества ими значительно выше, чем предполагалось ранее, то галактики, содержащие сверхмассивные черные дыры в своей структуре, могли сформироваться на более ранних этапах развития Вселенной.