Непостоянство яркости некоторых квазаров долгое время оставалось загадкой для ученых. Существующие модели не могли объяснить столь стремительные изменения интенсивности излучения этих мощнейших источников во Вселенной. Чтобы разобраться в этом парадоксе, американские астрофизики создали модель «пищевого поведения» сверхмассивных черных дыр с невероятной детализацией.
Изображение аккреционного диска черной дыры известно многим любителям астрономии. Визуализация в стиле «Интерстеллара» немного измененную версию этого образа, но суть осталась прежней.
Множество вещества образует относительно тонкий диск и постепенно падает на чёрную дыру. Чем ближе к горизонту событий, тем быстрее движется вещество, чаще происходят столкновения и другие взаимодействия, тем выше температура. Вследствие этого излучение становится интенсивнее.
Особенно большие черные дыры могут накопить такое количество вещества, что внутренние области аккреционного диска сияют ярче всех звезд в галактике, взятых вместе. Даже самые яркие и массивные объекты описываются моделями, где процессы, происходящие в аккреционном диске, развиваются медленно. Материя на грани небытия совершает много оборотов вокруг черной дыры, прежде чем исчезнет полностью.
Большинство моделей чёрных дыр предполагают отсутствие быстрых событий. В основном астрономические наблюдения согласуются с такой картиной. Однако имеются исключения.
Часть квазаров— экстремально ярких активных центров галактик ведут себя иначе. Некоторые резко изменят яркость в течение нескольких месяцев или недель, что неприемлемо. Не может же весь внутренний слой аккреционного диска внезапно пропасть?
Астрофизики из Северо-Западного университета (NUВ Соединенных Штатах Америки объяснили подобные явления, объединив несколько моделей в единый комплекс. В результате учли эффекты Общей теории относительности, газодинамики и магнитной гидродинамики. Для расчета модели с беспрецедентным разрешением использовали суперкомпьютер. Summit (пятая строчка в TOP500).
Кроме высокой детализации моделирования, американские исследователи внесли в него новое правило. Ранее моделирование аккреционных дисков предполагало их вращение вместе 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, как крутится притягивающий её сверхмассивный объект.
Удивительные эффекты наблюдались в результате. Внутренняя часть аккреционного диска распалась на несколько колец, которые вращались и разрушались ударными волнами. Из-за этого скорость поглощения вещества черной дырой возросла многократно. Объем вещества, который она должна была «съесть» за столетия, исчезал всего за несколько месяцев.
Самая яркая часть аккреционного диска быстро исчезала. Место её освобождал материал, вращающийся дальше, и процесс повторялся. Это очень похоже на нерегулярную яркость некоторых квазаров.
Американские астрофизики продемонстрировали значение вычислительных мощностей для современной науки. Модели черных дыр, используемые учеными, показывают лишь часть их поведения. Для описания всех случаев нужны более детальные модели, а их объединение требует суперкомпьютеров мирового класса.
Новая симуляция не применяла никаких радикально новых данных или моделей. Разрыв внутренних частей аккреционного диска объясняется давно известным эффектом Лензе — Тирринга: сверхмассивные черные дыры, вращаясь, увлекают за собой пространство-время вокруг — это называется… увлечением инерциальных систем отсчета (frame-dragging).
Материя, вращающаяся вокруг черной дыры, при встрече с возмущениями пространства-времени получает дополнительную энергию. Из-за этого вещество меняет направление движения и образует субдиски, которые вращаются подобно волчкам.
По достижении определенного предела напряженности материя уплотняется в более плотные скопления, все быстрее падающие на черную дыру. Формирование внутреннего и внешнего субдисков дополнительно усиливает этот процесс: образуется несколько субдисков, прецессирующие с разной скоростью и разрушающиеся не одновременно.
Исследование с моделью и ее анализом. опубликована в рецензируемом журнале The Astrophysical JournaЕё значение пока не определено, но исследование специалистов из Северо-Западного университета может существенно изменить представление о скорости эволюции чёрных дыр во вселенной.
Если возможно поедать намного быстрее, чем раньше полагали, то и галактики сверхмассивными чёрными дырами в центре могли образоваться раньше.