Mustad augud on olnud lõputu vaimustusallikas ajast, mil Einsteini üldise relatiivsusteooria nende olemasolu ennustas. Viimase 100 aasta jooksul on mustade aukude uurimine märkimisväärselt edenenud, kuid nende objektide aukartus ja salapära on endiselt olemas. Näiteks on teadlased märkinud, et mõnel juhul on mustadest aukudest pärit massiivsed laetud osakeste joad, mis ulatuvad miljonite valgusaastateni.
Need "relativistlikud joad" - nn, kuna need juhivad laetud osakesi murdosa valguse kiirusest - on hämmingus astronoomidele aastaid. Kuid tänu rahvusvahelise teadlaste meeskonna hiljuti läbi viidud uuringule on nende reaktiivlennukite kohta saadud uus ülevaade. Kooskõlas üldise relatiivsusega, näitasid teadlased, et need düüsid pretsedeeruvad järk-järgult (st muudavad suunda), kuna ruumiaeg tõmmatakse musta augu pöördesse.
Nende uurimus pealkirjaga “Düüside ettevalmistamine kallutatud musta augu ketaste abil 3D üldrelativistlikes MHD-simulatsioonides” ilmus hiljuti Kuningliku Astronoomiaühingu igakuised teated. Meeskond koosnes Loodeülikooli interdistsiplinaarse uurimistöö ja teadusuuringute keskuse (CIERA) liikmetest.
Uuringu huvides viis meeskond läbi simulatsioone Illinoisi ülikoolis asuva superarvuti Blue Waters abil. Nende läbi viidud simulatsioonid olid esimesed, mis modelleerisid supermassiivsetest mustadest aukudest (SMBH) pärit relativistlike reaktiivlennukite käitumist. Ligi miljardi arvutusliku lahtriga oli see ka erakordse musta augu kõrgeima eraldusvõimega simulatsioon, mis eales saavutatud.
Nagu selgitas Northwesterni Weinbergi kunstide ja teaduste kolledži füüsika ja astronoomia abiprofessor Alexander Tchekhovskoy hiljutises ajalehe Northwesterni pressiteates:
„Arusaamine sellest, kuidas pöörlevad mustad augud tõmbavad enda ümber aegruumi ja kuidas see protsess mõjutab seda, mida me teleskoopide kaudu näeme, on endiselt ülioluline ja raskesti purustatav mõistatus. Õnneks on läbimurded koodiarenduses ja hüppelised üliarvute arhitektuuris lähenemised vastuste leidmisele aina lähemale. ”
Sarnaselt kõigile ülikergetele mustadele aukudele kiirelt keerlevad SMBH-d hõlmasid regulaarselt (ehk akriseerivat) ainet. Kiiresti keerlevad mustad augud on tuntud ka selle poolest, kuidas nad relativistlike joa kujul energiat eraldavad. Asi, mis neid mustaid auke toidab, moodustab nende ümber pöörleva ketta - aka. akretsioonketas - mida iseloomustavad kuumad, pingestatud gaasi- ja magnetvälja read.
Just nende väljaliinide olemasolu võimaldab mustadel aukutel energiat juhtida nende joa kujul. Kuna need düüsid on nii suured, on neid lihtsam uurida kui mustaid auke ise. Seda tehes saavad astronoomid aru, kui kiiresti nende düüside suund muutub, mis paljastab mustade aukude enda pöörde - näiteks nende pöörlevate ketaste orientatsiooni ja suuruse.
Täpsemad arvutisimulatsioonid on vajalikud mustade aukude uurimisel, peamiselt seetõttu, et need pole nähtava valguse käes jälgitavad ja asuvad tavaliselt väga kaugel. Näiteks Maale lähim SMBH on Ambur A *, mis asub meie galaktika keskpunktis umbes 26 000 valgusaasta kaugusel. Sellisena on simulatsioonid ainus viis kindlaks teha, kuidas töötab väga keeruline süsteem, nagu must auk.
Varasemates simulatsioonides tegutsesid teadlased eeldusel, et musta augu kettad olid joondatud. Enamikul SMBH-del on siiski leitud, et neil on kallutatud kettad - st kettad pöörlevad eraldi telje ümber kui must auk ise. See uuring oli seetõttu viljakas, kuna see näitas, kuidas kettad saavad oma musta augu suhtes suunda muuta, viies eeljuhtideni, mis perioodiliselt muudavad nende suunda.
See oli varem teadmata, kuna uskumatult palju arvutusvõimsust on vaja kiiresti pöörlevat musta auku ümbritseva piirkonna 3D-simulatsioonide ehitamiseks. Riikliku teadusfondi (NSF) toetuse toel suutis meeskond selle saavutada, kasutades maailma ühte suurimat superarvutit Blue Waters.
Selle käsutuses oleva superarvuti abil suutis meeskond konstrueerida esimese musta augu simulatsioonikoodi, mida nad graafiliste protsessorite (GPU) abil kiirendasid. Tänu sellele kombinatsioonile suutis meeskond viia läbi simulatsioone, millel oli kõigi aegade kõrgeim eraldusvõime tase - s.o ligi miljard arvutuslikku lahtrit. Nagu Tšehhovskoja selgitas:
„Kõrge eraldusvõime võimaldas meil esimest korda tagada, et väikesemahulised turbulentsed ketaste liigutused on meie mudelites täpselt tabatud. Meie üllatuseks osutusid need liigutused nii tugevaks, et need põhjustasid ketta nuumamise ja ketta pretsessiooni peatumise. See viitab sellele, et pretsessioon võib toimuda purunemisena. ”
Relativistlike reaktiivlennukite pretsessioon võiks seletada, miks minevikus on täheldatud mustade aukude ümber tekkivaid valguse kõikumisi - mida tuntakse kvaasperioodiliste võnkumistena (QPO). Need talad, mille avastas esmakordselt Michiel van der Klis (üks uuringu kaasautoreid), töötavad enam-vähem samal viisil kui kvaasari talad, millel näib olevat rabelevat mõju.
See uuring on üks paljudest, mis viiakse läbi kogu maailmas pöörlevate mustade aukude kohta ja mille eesmärk on saada parem ülevaade hiljutistest avastustest, näiteks gravitatsioonilainete kohta, mis on põhjustatud mustade aukude ühinemisest. Neid uuringuid rakendatakse ka sündmuste horisontaalteleskoobi vaatluste jaoks, mis pildistasid esimesi pilte Amburi A * varjust. See, mida nad paljastavad, kindlasti erutab ja hämmastab ning süvendab mustade aukude saladust.
Möödunud sajandil on mustade aukude uurimine märkimisväärselt edasi liikunud - puhtteoreetilistest kaudseteni nende mõju kohta ümbritsevale ainele kuni gravitatsioonilainete enda uurimiseni. Võib-olla suudame ühel päeval tegelikult neid otse uurida või (kui pole eriti vaja loota) eakaaslasi otse nende sees!
