Zwarte gaten zijn een van de meest geweldige en mysterieuze krachten in het heelal. Oorspronkelijk voorspeld door Einstein's Theory of General Relativity, worden deze punten in ruimtetijd gevormd wanneer massieve sterren aan het einde van hun leven door zwaartekracht instorten. Ondanks tientallen jaren van studie en observatie, is er nog veel dat we niet weten over dit fenomeen.
Zo zijn wetenschappers nog grotendeels in het ongewisse over hoe de materie die in een baan rond een zwart gat valt en er geleidelijk aan wordt aangevoerd (accretieschijven) zich gedraagt. Dankzij een recent onderzoek, waarbij een internationaal team van onderzoekers tot nu toe de meest gedetailleerde simulaties van een zwart gat heeft uitgevoerd, zijn eindelijk een aantal theoretische voorspellingen over accretieschijven gevalideerd.
Het team bestond uit computationele astrofysici van het Anton Pannekoek Institute for Astronomy van de Universiteit van Amsterdam, het Northwestern University's Centre for Interdisciplinary Exploration & Research in Astrophysics (CIERA) en de University of Oxford. Hun onderzoeksresultaten verschenen in het nummer van 5 juni van de Maandelijkse aankondigingen van de Royal Astronomical Society.
Onder hun bevindingen bevestigde het team een theorie die oorspronkelijk in 1975 naar voren was gebracht door James Bardeen en Jacobus Petterson, die bekend is gaan staan als het Bardeen-Petterson-effect. In overeenstemming met deze theorie ontdekte het team dat terwijl het buitenste gebied van een accretieschijf gekanteld blijft, het binnenste gebied van de schijf zal uitlijnen met de evenaar van het zwarte gat.
Simpel gezegd, zo ongeveer alles wat onderzoekers over zwarte gaten weten, is geleerd door accretieschijven te bestuderen. Zonder deze heldere ringen van gas en stof is het onwaarschijnlijk dat wetenschappers zwarte gaten zouden kunnen lokaliseren. Bovendien zijn de groei en rotatiesnelheid van een zwart gat ook afhankelijk van de aanwasschijf, wat het bestuderen ervan essentieel maakt om de evolutie en het gedrag van zwarte gaten te begrijpen.
Zoals Alexander Tchekhovskoy, een
Sinds Bardeen en Petterson hun theorie hebben voorgesteld, hebben simulaties met zwarte gaten geleden onder een aantal problemen waardoor ze niet konden bepalen of deze afstemming plaatsvindt. Allereerst, wanneer accretieschijven de Event Horizon naderen, versnellen ze tot enorme snelheden en bewegen ze zich door kromgetrokken gebieden van de ruimtetijd.
Een tweede probleem dat de zaken nog ingewikkelder maakt, is het feit dat de rotatie van een zwart gat de ruimte-tijd dwingt eromheen te draaien. Beide kwesties vereisen dat astrofysici rekening houden met de effecten van algemene relativiteit, maar er blijft het probleem van magnetische turbulentie. Deze turbulentie zorgt ervoor dat de deeltjes van de schijf bij elkaar blijven in een cirkelvorm en
Tot nu toe hadden astrofysici niet de rekenkracht om dit alles te verklaren. Om een robuuste code te ontwikkelen die simulaties kan uitvoeren die verantwoordelijk waren voor GR en magnetische turbulentie, ontwikkelde het team een code op basis van grafische verwerkingseenheden (GPU's). Vergeleken met conventionele centrale verwerkingseenheden (CPU's) zijn GPU's veel efficiënter in beeldverwerking en rekenalgoritmen die grote hoeveelheden gegevens verwerken.
Het team heeft ook een methode gebruikt die adaptieve mesh-verfijning wordt genoemd, die energie bespaart door alleen te focussen op specifieke blokken waar beweging plaatsvindt en zich dienovereenkomstig aanpast. Om het verschil te illustreren, vergeleek Tchekhovskoy GPU's en
'Laten we zeggen dat u naar een nieuw appartement moet verhuizen. Je zult veel reizen moeten maken met deze krachtige Ferrari omdat hij niet in veel dozen past. Maar als je op elk paard één box zou kunnen zetten, dan zou je alles in één keer kunnen verplaatsen. Dat is de GPU. Het heeft veel elementen, die allemaal langzamer zijn dan die in de CPU, maar er zijn er zo veel. ”
Last but not least voerde het team hun simulatie uit met behulp van de Blue Waters-supercomputers van het National Center for Supercomputing Applications (NCSA) van de University of Illinois in Urbana-Champaign. Wat ze ontdekten was dat terwijl het buitenste gebied van een schijf mag worden betegeld, het binnenste gebied zal worden uitgelijnd met de evenaar van het zwarte gat en dat een gladde schering ze zal verbinden.
Naast het afsluiten van een langdurig debat over zwarte gaten en hun aanwasschijven, toont deze studie ook aan dat de astrofysica ver is gevorderd sinds de dagen van Bardeen en Petterson. Matthew Liska, een onderzoeker, vatte samen:
“Deze simulaties lossen niet alleen een 40 jaar oud probleem op, maar ze hebben aangetoond dat, in tegenstelling tot wat normaal wordt gedacht, het mogelijk is om de meest lichtgevende aanwasschijven in volledige algemene relativiteitstoestand te simuleren. Dit maakt de weg vrij voor een volgende generatie simulaties, waarvan ik hoop dat ze nog belangrijkere problemen rond lichtgevende accretieschijven zullen oplossen. ”
Het team loste het al lang bestaande mysterie van het Bardeen-Petterson-effect op door de aanwasschijf in een ongekende mate te verdunnen en rekening te houden met de gemagnetiseerde turbulentie die ervoor zorgt dat de schijf zich aanzet. Eerdere simulaties maakten een substantiële vereenvoudiging door slechts de effecten van de turbulentie te benaderen.
Bovendien werkten eerdere simulaties met verdunde schijven met een minimale hoogte-tot-straalverhouding van 0,05, terwijl de meest interessante effecten die Tchekhovskoy en zijn collega's zagen, optraden nadat de schijf was verdund tot 0,03. Tot hun verbazing ontdekte het team dat zelfs met ongelooflijk dunne accretieschijven, het zwarte gat nog steeds stralen deeltjes en straling uitzond met een deel van de lichtsnelheid (ook bekend als relativistische stralen).
Zoals Tchekhovskoy uitlegde, was dit een nogal onverwachte vondst:
“Niemand had verwacht dat deze schijven met zulke geringe dikte straalvliegtuigen zouden produceren. Mensen verwachtten dat de magnetische velden die deze jets produceren gewoon door deze echt dunne schijven zouden scheuren. Maar daar zijn ze. En dat helpt ons eigenlijk om waarnemingsmysteries op te lossen. '
Met alle recente vondsten die astrofysici hebben gedaan met betrekking tot zwarte gaten en hun aanwasschijven, zou je kunnen zeggen dat we in de tweede 'Gouden Eeuw van Relativiteit' leven. En het zou niet overdreven zijn om te zeggen dat de wetenschappelijke opbrengsten van al dit onderzoek enorm kunnen zijn. Door te begrijpen hoe materie zich gedraagt onder de meest extreme omstandigheden, komen we steeds dichter bij het leren hoe de fundamentele krachten van het universum in elkaar passen.
