Zwarte gaten zijn een eindeloze bron van fascinatie sinds Einsteins algemene relativiteitstheorie hun bestaan voorspelde. In de afgelopen 100 jaar is de studie van zwarte gaten aanzienlijk gevorderd, maar het ontzag en mysterie van deze objecten blijft bestaan. Wetenschappers hebben bijvoorbeeld opgemerkt dat zwarte gaten in sommige gevallen enorme stralen geladen deeltjes uitzenden die zich uitstrekken over miljoenen lichtjaren.
Deze 'relativistische stralen' - zo genoemd omdat ze geladen deeltjes voortstuwen met een fractie van de lichtsnelheid - hebben astronomen jarenlang in verwarring gebracht. Maar dankzij een recent onderzoek uitgevoerd door een internationaal team van onderzoekers is er nieuw inzicht verkregen in deze jets. In overeenstemming met de algemene relativiteitstheorie, toonden de onderzoekers aan dat deze jets geleidelijk voorschieten (dat wil zeggen van richting veranderen) als gevolg van ruimtetijd die in de rotatie van het zwarte gat wordt gesleept.
Hun studie, getiteld "Formation of Precessing Jets by Tilted Black Hole Discs in 3D General Relativistic MHD Simulations", verscheen onlangs in de Maandelijkse aankondigingen van de Royal Astronomical Society. Het team bestond uit leden van het Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA) van Northwestern University.
Omwille van hun studie voerde het team simulaties uit met behulp van de Blue Waters-supercomputer van de University of Illinois. De simulaties die ze uitvoerden, waren de eerste die het gedrag van relativistische jets afkomstig van Supermassive Black Holes (SMBH's) modelleerden. Met bijna een miljard rekencellen was het ook de simulatie met de hoogste resolutie van een groeiend zwart gat ooit bereikt.
Zoals Alexander Tchekhovskoy, een assistent-professor in de natuurkunde en astronomie aan het Weinberg College of Arts and Sciences in Northwestern, uitlegde in een recent persbericht van Northwestern Now:
“Begrijpen hoe roterende zwarte gaten de ruimtetijd om hen heen slepen en hoe dit proces van invloed is op wat we door de telescopen zien, blijft een cruciale, moeilijk te kraken puzzel. Gelukkig brengen de doorbraken in codeontwikkeling en sprongen in de supercomputerarchitectuur ons steeds dichter bij het vinden van de antwoorden. ”
Net als alle Supermassive Black Holes, overspoelen snel draaiende SMBH's regelmatig (oftewel accrete) materie. Snel draaiende zwarte gaten staan echter ook bekend om de manier waarop ze energie uitstralen in de vorm van relativistische stralen. De materie die deze zwarte gaten voedt, vormt een roterende schijf om hen heen - ook bekend als. een accretieschijf - die wordt gekenmerkt door hete, bekrachtigde gas- en magnetische veldlijnen.
Door de aanwezigheid van deze veldlijnen kunnen zwarte gaten energie voortstuwen in de vorm van deze stralen. Omdat deze jets zo groot zijn, zijn ze makkelijker te bestuderen dan de zwarte gaten zelf. Door dit te doen, kunnen astronomen begrijpen hoe snel de richting van deze stralen verandert, wat dingen onthult over de rotatie van de zwarte gaten zelf - zoals de oriëntatie en de grootte van hun roterende schijven.
Geavanceerde computersimulaties zijn nodig als het gaat om het bestuderen van zwarte gaten, vooral omdat ze niet zichtbaar zijn in zichtbaar licht en meestal erg ver weg zijn. De dichtstbijzijnde SMBH bij de aarde is bijvoorbeeld Boogschutter A *, die zich op ongeveer 26.000 lichtjaar afstand in het centrum van ons sterrenstelsel bevindt. Als zodanig zijn simulaties de enige manier om te bepalen hoe een zeer complex systeem als een zwart gat werkt.
In eerdere simulaties gingen wetenschappers ervan uit dat schijven met zwart gat waren uitgelijnd. De meeste SMBH's hebben echter gekantelde schijven - d.w.z. de schijven draaien om een aparte as dan het zwarte gat zelf. Deze studie was daarom baanbrekend omdat het liet zien hoe schijven van richting kunnen veranderen ten opzichte van hun zwarte gat, wat leidt tot precess-jets die hun richting periodiek veranderen.
Dit was voorheen onbekend vanwege de ongelofelijke hoeveelheid rekenkracht die nodig is om 3D-simulaties te maken van de regio rond een snel draaiend zwart gat. Met steun van een National Science Foundation (NSF) -beurs kon het team dit bereiken door gebruik te maken van de Blue Waters, een van de grootste supercomputers ter wereld.
Met deze supercomputer tot hun beschikking kon het team de eerste simulatiecode voor zwarte gaten construeren, die ze versnelden met grafische verwerkingseenheden (GPU's). Dankzij deze combinatie kon het team simulaties uitvoeren met de hoogste resolutie ooit bereikt - dat wil zeggen bijna een miljard rekencellen. Zoals Tchekhovskoy uitlegde:
“Dankzij de hoge resolutie konden we voor het eerst ervoor zorgen dat kleinschalige turbulente schijfbewegingen nauwkeurig worden vastgelegd in onze modellen. Tot onze verbazing bleken deze bewegingen zo sterk dat ze ervoor zorgden dat de schijf dik werd en de precessie van de schijf stopte. Dit suggereert dat precessie in bursts kan ontstaan. '
De precessie van relativistische stralen zou kunnen verklaren waarom er in het verleden lichtfluctuaties zijn waargenomen rond zwarte gaten - die bekend staan als quasi-periodieke oscillaties (QPO's). Deze balken, die voor het eerst werden ontdekt door Michiel van der Klis (een van de co-auteurs van het onderzoek), werken op vrijwel dezelfde manier als de stralen van een quasar, die een stroboscoopeffect lijken te hebben.
Deze studie is een van de vele die wordt uitgevoerd op roterende zwarte gaten over de hele wereld, met als doel een beter begrip te krijgen van recente ontdekkingen zoals zwaartekrachtgolven, die worden veroorzaakt door het samensmelten van zwarte gaten. Deze studies worden ook toegepast op waarnemingen van de Event Horizon Telescope, die de eerste beelden van de schaduw van Boogschutter A * vastlegde. Wat ze zullen onthullen, zal zeker opwinden en verbazen, en mogelijk het mysterie van zwarte gaten verdiepen.
In de afgelopen eeuw is de studie van zwarte gaten aanzienlijk gevorderd - van de puur theoretische, tot indirecte studie van de effecten die ze hebben op de omringende materie, tot de studie van gravitatiegolven zelf. Misschien kunnen we ze op een dag echt rechtstreeks bestuderen of (als het niet te veel is om op te hopen) er rechtstreeks in kijken!
