Schwarze Löcher sind eine der beeindruckendsten und mysteriösesten Kräfte im Universum. Ursprünglich vorhergesagt von Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie , diese Punkte in der Raumzeit entstehen, wenn massereiche Sterne am Ende ihres Lebens einem Gravitationskollaps unterliegen. Trotz jahrzehntelanger Forschung und Beobachtung wissen wir immer noch nicht viel über dieses Phänomen.
Wissenschaftler tappen beispielsweise noch weitgehend im Dunkeln darüber, wie sich Materie verhält, die in eine Umlaufbahn um ein Schwarzes Loch fällt und sich nach und nach darauf füttert (Akkretionsscheiben). Danke an a Kürzlich durchgeführte Studie , wo ein internationales Forscherteam die bisher detailliertesten Simulationen eines Schwarzen Lochs durchführte, wurden nun einige theoretische Vorhersagen zu Akkretionsscheiben validiert.
Das Team bestand aus computergestützten Astrophysikern der Universität Amsterdam Anton Pannekoek Institut für Astronomie , der Northwestern University Zentrum für interdisziplinäre Exploration & Forschung in der Astrophysik (CIERA) und der Universität Oxford. Ihre Forschungsergebnisse erschienen in der Ausgabe vom 5. Juni des 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 . In Übereinstimmung mit dieser Theorie fand das Team heraus, dass der äußere Bereich einer Akkretionsscheibe geneigt bleibt, der innere Bereich der Scheibe jedoch mit dem Äquator ihres Schwarzen Lochs ausgerichtet ist.
Einfach ausgedrückt, wurde fast alles, was Forscher über Schwarze Löcher wissen, 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, was ihre Untersuchung für das Verständnis der Entwicklung und des Verhaltens von Schwarzen Löchern unerlässlich macht.
Als Alexander Tchekhovskoy, Assistenzprofessor für Physik und Astronomie von der Northwestern University, der die Forschung mit geleitet hat, beschrieb es : „Die Ausrichtung beeinflusst, wie Akkretionsscheiben ihre Schwarzen Löcher verdrehen. Es beeinflusst also, wie sich die Drehung eines Schwarzen Lochs im Laufe der Zeit entwickelt und startet Ausflüsse, die sich auf die Entwicklung ihrer Wirtsgalaxien auswirken.“
Seit Bardeen und Petterson ihre Theorie aufgestellt haben, leiden die Simulationen von Schwarzen Löchern unter einer Reihe von Problemen, die sie daran hindern, festzustellen, ob diese Ausrichtung stattfindet. Wenn sich Akkretionsscheiben dem Ereignishorizont nähern, beschleunigen sie auf enorme Geschwindigkeiten und bewegen sich durch verzerrte Regionen der Raumzeit.
Diese künstlerische Darstellung zeigt ein sich schnell drehendes supermassives Schwarzes Loch, das von einer Akkretionsscheibe umgeben ist. Quelle: ESO, ESA/Hubble, M. Kornmesser/N. Bartmann
Ein zweites Problem, das die Sache noch komplizierter macht, ist die Tatsache, dass die Rotation eines Schwarzen Lochs die Raumzeit dazu zwingt, sich um es zu drehen. Beide Probleme erfordern, dass Astrophysiker die Auswirkungen der Allgemeinen Relativitätstheorie berücksichtigen, aber es bleibt das Problem der magnetischen Turbulenz. Diese Turbulenzen führen dazu, dass die Teilchen der Scheibe kreisförmig zusammenhalten und schließlich auf der Oberfläche des Schwarzen Lochs akkretieren.
Bislang fehlt den Astrophysikern die Rechenleistung, um all dies zu erklären. Um einen robusten Code zu entwickeln, der Simulationen durchführen 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 viel effizienter bei der Bildverarbeitung und Rechenalgorithmen, die große Datenmengen verarbeiten.
Das Team hat auch eine Methode namens adaptive Mesh-Verfeinerung integriert, die Energie spart, indem sie sich nur auf bestimmte Blöcke konzentriert, in denen Bewegung stattfindet, und sich entsprechend anpasst. Um den Unterschied zu veranschaulichen, Tchekhovskoy verglichen GPUs und CPUS bis 1.000 Pferde vs. 1.000-PS-Ferrari:
„Angenommen, Sie müssen in eine neue Wohnung umziehen. Sie werden mit diesem leistungsstarken Ferrari viele Reisen machen müssen, weil er nicht in viele Kisten passt. Aber wenn Sie auf jedes Pferd eine Kiste stellen könnten, könnten Sie alles auf einmal bewegen. Das ist die GPU. Es hat viele Elemente, von denen jedes langsamer ist als die der CPU, aber es gibt so viele davon.“
Das erste Bild eines Event Horizon, das vom EHT on Credit aufgenommen wurde: Event Horizon Telescope Collaboration
Zu guter Letzt führte das Team seine Simulation mit den Blue Waters-Supercomputern an der Nationales Zentrum für Supercomputing-Anwendungen (NCSA) an der University of Illinois in Urbana-Champaign. Sie fanden heraus, dass der äußere Bereich einer Scheibe zwar gekachelt sein kann, der innere Bereich jedoch mit dem Äquator des Schwarzen Lochs ausgerichtet ist und eine glatte Krümmung 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, ein Forscher zusammengefasst :
„Diese Simulationen lösen nicht nur ein 40 Jahre altes Problem, sondern sie haben auch gezeigt, dass es im Gegensatz zur üblichen Meinung möglich ist, die hellsten Akkretionsscheiben in der vollständigen Allgemeinen Relativitätstheorie zu simulieren. Dies ebnet den Weg für eine nächste Generation von Simulationen, von denen ich hoffe, dass sie noch wichtigere Probleme rund um leuchtende Akkretionsscheiben lösen.“
Das Team löste das seit langem bestehende Rätsel des Bardeen-Petterson-Effekts, indem es die Akkretionsscheibe in einem beispiellosen Ausmaß dünner machte und die magnetisierte Turbulenz berücksichtigte, die die Akkretion der Scheibe verursacht. Frühere Simulationen haben eine wesentliche Vereinfachung bewirkt, indem sie lediglich die Auswirkungen der Turbulenzen angenähert haben.
Ein simuliertes Bild der University of Arizona zeigt das turbulente Plasma in der extremen Umgebung um ein supermassereiches Schwarzes Loch. Kredit: Universität von Arizona.
Darüber hinaus arbeiteten frühere Simulationen mit ausgedünnten Scheiben, die ein minimales Höhe-zu-Radius-Verhältnis von 0,05 aufwiesen, während die interessantesten Effekte von Tchekhovskoy und seinen Kollegen auftraten, wenn die Scheibe auf 0,03 ausgedünnt wurde. Zu ihrer Überraschung stellte das Team fest, dass das Schwarze Loch selbst mit unglaublich dünnen Akkretionsscheiben immer noch Teilchen- und Strahlungsstrahlen mit einem Teil der Lichtgeschwindigkeit (auch bekannt als Lichtgeschwindigkeit) emittiert. relativistische Jets ).
Wie Tchekhovskoy erklärte, war dies ein ziemlich unerwarteter Fund:
„Niemand hätte erwartet, dass diese Scheiben bei so geringer Dicke Jets erzeugen. Die Leute erwarteten, dass die Magnetfelder, die diese Jets erzeugen, diese wirklich dünnen Scheiben einfach durchbrechen würden. Aber da sind sie. Und das hilft uns tatsächlich dabei, Beobachtungsmysterien zu lösen.“
Bei all den jüngsten Entdeckungen, die Astrophysiker zu Schwarzen Löchern und ihren Akkretionsscheiben gemacht haben, könnte man sagen, dass wir im zweiten „Goldenen Zeitalter der Relativität“ leben. Und es wäre keine Übertreibung zu sagen, dass der wissenschaftliche Nutzen all dieser Forschungen immens sein könnte. Indem wir verstehen, wie sich Materie unter extremsten Bedingungen verhält, kommen wir immer näher daran zu lernen, wie die fundamentalen Kräfte des Universums zusammenpassen.
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