Schwarze Löcher sind eine der großartigsten und mysteriösesten Kräfte im Universum. Ursprünglich von Einsteins Theorie der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt, entstehen diese Punkte in der Raumzeit, wenn massive Sterne am Ende ihres Lebens einen Gravitationskollaps erleiden. Trotz jahrzehntelanger Studien und Beobachtungen wissen wir noch viel nicht über dieses Phänomen.
Zum Beispiel sind Wissenschaftler immer noch weitgehend im Dunkeln darüber, wie sich die Materie, die in die Umlaufbahn um ein Schwarzes Loch fällt und allmählich darauf eingespeist wird (Akkretionsscheiben), verhält. Dank einer kürzlich durchgeführten Studie, in der ein internationales Forscherteam die bislang detailliertesten Simulationen eines Schwarzen Lochs durchgeführt hat, wurde eine Reihe theoretischer Vorhersagen zu Akkretionsscheiben endgültig validiert.
Das Team bestand aus Computerastrophysikern des Anton Pannekoek-Instituts für Astronomie der Universität Amsterdam, des Zentrums für interdisziplinäre Erforschung und Forschung in der Astrophysik (CIERA) der Northwestern University und der Universität Oxford. Ihre Forschungsergebnisse erschienen in der 5. Juni Ausgabe der Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society.
Unter ihren Ergebnissen bestätigte das Team eine Theorie, die ursprünglich 1975 von James Bardeen und Jacobus Petterson aufgestellt wurde und als Bardeen-Petterson-Effekt bekannt wurde. In Übereinstimmung mit dieser Theorie stellte das Team fest, dass der äußere Bereich einer Akkretionsscheibe zwar geneigt bleibt, der innere Bereich der Scheibe jedoch am Äquator ihres Schwarzen Lochs ausgerichtet ist.
Um es einfach auszudrücken: Fast alles, was Forscher über Schwarze Löcher wissen, wurde durch das Studium von Akkretionsscheiben gelernt. Ohne diese hellen Ringe aus Gas und Staub ist es unwahrscheinlich, dass Wissenschaftler schwarze Löcher lokalisieren können. Darüber hinaus hängen das Wachstum und die Rotationsgeschwindigkeit eines Schwarzen Lochs auch von seiner Akkretionsscheibe ab. Daher ist es wichtig, sie zu untersuchen, um die Entwicklung und das Verhalten von Schwarzen Löchern zu verstehen.
Als Alexander Tchekhovskoy, ein
Seit Bardeen und Petterson ihre Theorie vorgeschlagen haben, haben Schwarzlochsimulationen unter einer Reihe von Problemen gelitten, die sie daran gehindert haben, festzustellen, ob diese Ausrichtung stattfindet. Wenn sich Akkretionsscheiben dem Ereignishorizont nähern, beschleunigen sie zunächst auf enorme Geschwindigkeiten und bewegen sich durch verzerrte Regionen der Raumzeit.
Ein zweites Problem, das die Sache noch komplizierter macht, ist die Tatsache, dass die Rotation eines Schwarzen Lochs die Raumzeit zwingt, sich um es herum zu drehen. Beide Probleme erfordern, dass Astrophysiker die Auswirkungen der allgemeinen Relativitätstheorie berücksichtigen, aber es bleibt das Problem der magnetischen Turbulenzen. Diese Turbulenzen bewirken, dass die Partikel der Scheibe kreisförmig zusammenhalten und
Bisher hatten Astrophysiker nicht die Rechenleistung, um all dies zu erklären. Um einen robusten Code zu entwickeln, der Simulationen ausführen kann, die GR und magnetische Turbulenzen berücksichtigen, entwickelte das Team einen Code, der auf grafischen Verarbeitungseinheiten (GPUs) basiert. Im Vergleich zu herkömmlichen Zentraleinheiten (CPUs) sind GPUs bei Bildverarbeitungs- und Rechenalgorithmen, die große Datenmengen verarbeiten, wesentlich effizienter.
Das Team integrierte auch eine Methode namens adaptive Netzverfeinerung, die Energie spart, indem sie sich nur auf bestimmte Blöcke konzentriert, in denen Bewegung auftritt, und sich entsprechend anpasst. Um den Unterschied zu veranschaulichen, verglich Tchekhovskoy GPUs und
"Nehmen wir an, Sie müssen in eine neue Wohnung ziehen. Mit diesem leistungsstarken Ferrari müssen Sie viele Fahrten unternehmen, da er nicht für viele Boxen geeignet ist. Aber wenn Sie eine Kiste auf jedes Pferd stellen könnten, könnten Sie alles auf einmal bewegen. Das ist die GPU. Es gibt viele Elemente, von denen jedes langsamer ist als die in der CPU, aber es gibt so viele. “
Zu guter Letzt führte das Team seine Simulation mit den Blue Waters-Supercomputern des Nationalen Zentrums für Supercomputing-Anwendungen (NCSA) an der Universität von Illinois in Urbana-Champaign durch. Was sie fanden, war, dass, während der äußere Bereich einer Scheibe gekachelt werden kann, der innere Bereich mit dem Äquator des Schwarzen Lochs ausgerichtet wird und eine glatte Kette sie verbindet.
Diese Studie schließt nicht nur eine langjährige Debatte über Schwarze Löcher und ihre Akkretionsscheiben ab, sondern zeigt auch, dass die Astrophysik seit den Tagen von Bardeen und Petterson weit fortgeschritten ist. Als Matthew Liska fasste ein Forscher zusammen:
„Diese Simulationen lösen nicht nur ein 40 Jahre altes Problem, sondern haben auch gezeigt, dass es im Gegensatz zum typischen Denken möglich ist, die leuchtendsten Akkretionsscheiben in voller allgemeiner Relativitätstheorie zu simulieren. Dies ebnet den Weg für eine nächste Generation von Simulationen, von denen ich hoffe, dass sie noch wichtigere Probleme im Zusammenhang mit Leuchtakkretionsscheiben lösen. “
Das Team löste das langjährige Rätsel des Bardeen-Petterson-Effekts, indem es die Akkretionsscheibe in einem beispiellosen Ausmaß verdünnte und die magnetisierten Turbulenzen berücksichtigte, die die Akkretion der Scheibe verursachen. Frühere Simulationen haben eine wesentliche Vereinfachung vorgenommen, indem sie lediglich die Auswirkungen der Turbulenzen angenähert haben.
Darüber hinaus arbeiteten frühere Simulationen mit verdünnten Scheiben mit einem Mindestverhältnis von Höhe zu Radius von 0,05, während die interessantesten Effekte, die Tchekhovskoy und seine Kollegen sahen, auftraten, wenn die Scheibe auf 0,03 verdünnt wurde. Zu ihrer Überraschung stellte das Team fest, dass das Schwarze Loch selbst bei unglaublich dünnen Akkretionsscheiben immer noch Partikel- und Strahlungsstrahlen mit einem Teil der Lichtgeschwindigkeit (auch bekannt als relativistische Strahlen) emittierte.
Wie Tchekhovskoy erklärte, war dies ein ziemlich unerwarteter Fund:
„Niemand hat erwartet, dass diese Scheiben Düsen mit so geringen Dicken produzieren. Die Leute erwarteten, dass die Magnetfelder, die diese Jets erzeugen, nur durch diese wirklich dünnen Scheiben reißen würden. Aber da sind sie. Und das hilft uns tatsächlich dabei, Beobachtungsgeheimnisse zu lösen. “
Mit all den jüngsten Funden, die Astrophysiker in Bezug auf Schwarze Löcher und ihre Akkretionsscheiben gemacht haben, könnte man sagen, dass wir im zweiten „Goldenen Zeitalter der Relativitätstheorie“ leben. Und es wäre keine Übertreibung zu sagen, dass die wissenschaftlichen Vorteile all dieser Forschung immens sein könnten. Indem wir verstehen, wie sich Materie unter extremsten Bedingungen verhält, kommen wir dem Lernen, wie die fundamentalen Kräfte des Universums zusammenpassen, immer näher.
