Elektromagnetyzm przebija się już przed dogmat grawitacyjny

25
Zespół astrofizyków kierowany przez Caltech zdołał po raz pierwszy zasymulować podróż pierwotnego gazu z wczesnego Wszechświata do etapu, w którym zostaje on zmieciony w dysku materii zasilającej pojedynczą supermasywną czarną dziurę. Nowa symulacja komputerowa zmienia poglądy na temat takich dysków, które astronomowie utrzymują od lat 70. i toruje drogę do nowych odkryć na temat tego, w jaki sposób czarne dziury i galaktyki rosną i ewoluują.

"Nasz nowa symulacja jest zwieńczeniem kilku lat pracy dwóch dużych kolaboracji rozpoczętych tutaj na Caltech," mówi Phil Hopkins, Ira S. Bowen profesor astrofizyki teoretycznej.

Pierwsza kolaboracja, nazwana FIRE (Feedback in Realistic Environments), skupiła się na większych skalach Wszechświata, badając kwestie takie jak powstawanie galaktyk i co się dzieje, gdy galaktyki zderzają się ze sobą. Drugi, nazwany STARFORGE, został zaprojektowany, aby badać znacznie mniejsze skale, włączając w to powstawanie gwiazd w poszczególnych obłokach gazu. "Ale między nimi była wielka przepaść", wyjaśnia Hopkins. "Teraz, po raz pierwszy, wypełniliśmy tę lukę. " Aby to zrobić, badacze musieli zbudować symulację o rozdzielczości ponad 1000 razy większej niż poprzednia najlepsza w tej dziedzinie.

Ku zaskoczeniu zespołu, jak donosi The Open Journal of Astrophysics, symulacja ujawniła, że pola magnetyczne odgrywają znacznie większą rolę niż wcześniej sądzono w formowaniu i kształtowaniu ogromnych dysków materii, które wirują i zasilają supermasywne czarne dziury. "Nasze teorie mówiły nam, że dyski powinny być płaskie jak naleśniki," Hopkins mówi. Ale wiedzieliśmy, że to nieprawda, ponieważ obserwacje astronomiczne ujawniły, że dyski są rzeczywiście puszyste – bardziej jak anielskie ciasto. Nasza symulacja pomogła nam zrozumieć, że pola magnetyczne podpierają materiał dysku, czyniąc go bardziej puszystym. "

W nowej symulacji naukowcy przeprowadzili tzw. „super zoom-in” na pojedynczej supermasywnej czarnej dziurze, potwornym obiekcie, który znajduje się w centrum wielu galaktyk, w tym naszej Drogi Mlecznej. Te głodne, tajemnicze ciała zawierają od tysięcy do miliardów mas Słońca, a tym samym wywierają ogromny wpływ na wszystko, co znajduje się w pobliżu.

Astronomowie wiedzą od dziesięcioleci, że gdy gaz i pył są przyciągane przez ogromną grawitację czarnych dziur, nie są one natychmiast zasysane. Zamiast tego materiał najpierw tworzy szybko wirujący dysk zwany dyskiem akrecyjnym. A gdy materia zaraz opadnie, wypromieniuje ogromną ilość energii, świecąc blaskiem nieporównywalnym z niczym we wszechświecie. Wciąż jednak niewiele wiadomo o tych aktywnych supermasywnych czarnych dziurach, zwanych kwazarami, oraz o tym, jak tworzą się i zachowują dyski, które je zasilają

Dyski wokół supermasywnych czarnych dziur były wcześniej fotografowane – Teleskop Horyzontu Zdarzeń sfotografował dyski krążące wokół czarnych dziur w centrum naszej galaktyki w 2022 roku i Messier 87 w 2019 roku – ale dyski te są znacznie bliżej i bardziej oswojone niż dyski krążące wokół kwazarów. Aby zwizualizować, co dzieje się wokół tych bardziej aktywnych i odległych czarnych dziur, astrofizycy zwracają się do symulacji superkomputerowych. Przesyłają informacje o fizyce działającej w tych galaktycznych warunkach – wszystko od podstawowych równań rządzących grawitacją po to, jak traktować ciemną materię i gwiazdy – do tysięcy równoległych procesorów obliczeniowych. To wejście zawiera wiele algorytmów lub serii instrukcji dla komputerów do naśladowania w celu odtworzenia skomplikowanych zjawisk. Komputery wiedzą, że gdy gaz stanie się wystarczająco gęsty, uformuje się gwiazda. Ale proces nie jest taki prosty.
„Jeśli po prostu powiesz, że grawitacja ciągnie wszystko w dół, a potem w końcu gaz tworzy gwiazdę i gwiazdy po prostu się gromadzą, wszystko będzie szalenie źle” wyjaśnia Hopkins. W końcu gwiazdy robią wiele rzeczy, które wpływają na ich otoczenie. Świecą one promieniowaniem, które może podgrzewać lub wypychać otaczający gaz. Wieją wiatry jak wiatr słoneczny stworzony przez nasze Słońce, które może zmieść materię. Wybuchają jako supernowe, czasami wyrzucając materię z galaktyk lub zmieniając chemię ich otoczenia. Komputery muszą więc znać wszystkie tajniki tego "gwiezdnego sprzężenia zwrotnego", ponieważ reguluje to, ile gwiazd może formować się galaktyka.
Budowanie symulacji obejmującej wiele skal
Ale w tych większych skalach, zestaw fizyki, które są najważniejsze, aby uwzględnić i jakie przybliżenia można dokonać różnią się od tych w mniejszych skalach. Na przykład w skali galaktycznej skomplikowane szczegóły zachowania atomów i cząsteczek są niezwykle ważne i muszą być wbudowane w każdą symulację. Jednak naukowcy zgadzają się, że gdy symulacje skupiają się na najbliższym obszarze wokół czarnej dziury, chemię molekularną można w większości zignorować, ponieważ gaz jest zbyt gorący dla atomów i cząsteczek. Zamiast tego istnieje gorąca zjonizowana plazma.
Stworzenie symulacji, która mogłaby objąć wszystkie istotne skale aż do poziomu pojedynczego dysku akrecyjnego wokół supermasywnej czarnej dziury, było ogromnym wyzwaniem obliczeniowym – wymagającym kodu, który poradziłby sobie z całą fizyką. "Było kilka kodów, które miały fizykę potrzebną do rozwiązania problemu na małą skalę, i kilka kodów, które miały fizykę potrzebną do rozwiązania większej, kosmologicznej części problemu, ale nic, co miałoby obie te rzeczy" - mówi Hopkins.

Zespół kierowany przez Caltech użył kodu zwanego GIZMO zarówno dla dużych, jak i małych projektów symulacyjnych. Co ważne, zbudowali oni projekt FIRE tak, aby cała fizyka, którą do niego dodali, mogła współpracować z projektem STARFORGE i vice versa. "Zbudowaliśmy go w bardzo modularny sposób, dzięki czemu można było włączać i wyłączać dowolne elementy fizyki, które chciało się dla danego problemu, ale wszystkie były krzyżowo kompatybilne," mówi Hopkins.

To pozwoliło naukowcom w najnowszej pracy symulować czarną dziurę, która jest około 10 milionów razy masą naszego Słońca, począwszy od wczesnego Wszechświata. Symulacja powiększa czarną dziurę w momencie, gdy olbrzymi strumień materii zostaje oderwany od obłoku gazu gwiazdotwórczego i zaczyna wirować wokół supermasywnej czarnej dziury. Symulacja może kontynuować powiększanie, uwidaczniając drobniejszy obszar na każdym kroku, gdy podąża on za gazem w kierunku otworu.

Zaskakująco puszyste, magnetyczne dyski

"W nasz symulacji, widzimy ten akrecyjny dysk forma wokoło czarnej dziury," Hopkins mówi. "Bylibyśmy bardzo podekscytowani, gdybyśmy tylko zobaczyli ten akrecyjny dysk, ale co było bardzo zaskakujące był to, że symulowany dysk no wygląda tak jak my myśleliśmy przez dekady powinien wyglądać jak. "

W dwóch przełomowych artykułach z lat 70. , opisujących dyski akrecyjne napędzające supermasywne czarne dziury, naukowcy założyli, że ciśnienie termiczne – zmiana ciśnienia spowodowana zmianą temperatury gazu w dyskach – odgrywa dominującą rolę w zapobieganiu zapadaniu się dysków pod wpływem ogromnej grawitacji, jakiej doświadczają w pobliżu czarnej dziury. Przyznali, że pola magnetyczne mogą odgrywać niewielką rolę w pomaganiu przy brzegu dysków. W przeciwieństwie do tego, nowa symulacja wykazała, że ciśnienie z pól magnetycznych takich dysków było w rzeczywistości 10 000 razy większe niż ciśnienie z ciepła gazu.
"Więc dyski są prawie całkowicie kontrolowane przez pola magnetyczne," mówi Hopkins. "Pola magnetyczne pełnią wiele funkcji, z których jedną jest podparcie dysków i spuchnięcie materiału. "

Ta realizacja zmienia wiele przewidywań, jakie naukowcy mogą poczynić na temat takich dysków akrecyjnych, takich jak ich masa, jak gęstość i grubość powinny być, jak szybko materiał powinien być w stanie przemieścić się z nich w czarną dziurę, a nawet ich geometria (np. czy dyski mogą być pochylone).
Patrząc w przyszłość, Hopkins ma nadzieję, że ta nowa umiejętność wypełniania luki w skalach dla symulacji kosmologicznych otworzy wiele nowych możliwości badawczych. Na przykład, co dokładnie dzieje się, gdy dwie galaktyki się łączą? Jakie typy gwiazd powstają w gęstych rejonach galaktyk, gdzie warunki różnią się od warunków panujących w sąsiedztwie Słońca? Jak mogła wyglądać pierwsza generacja gwiazd we wszechświecie? "Jest tyle do zrobienia", mówi.
Nowa symulacja została szczegółowo opisana w artykule zatytułowanym "FORGE'd in FIRE: Resolving the End of Star Formation and Structure of AGN Accretion Disks from Cosmological Initial Conditions", który ukaże się w The Open Journal of Astrophysics. Inni autorzy artykułu to Michael Grudic (PhD '19) z Carnegie Observatories, Kung-Yi Su (PhD '19) z Harvard University, Sarah Wellons z Wesleyan University, Daniel Angles-Alcazar z University of Connecticut i Flatiron Institute, Ulrich Steinwandel z Flatiron Institute, David Guszeinov (PhD '18) z University of Texas at Austin, Norman Murray (BS '79) z University of Toronto, Claude-Andre Faucher-Giguere z Northwest Uniwersytet, Eliot Quatert z Uniwersytetu Princeton i Dusan Keres z UC San Diego. Prace Hopkinsa były finansowane przez National Science Foundation i NASA.
Cornell Univesity link https://arxiv.org/abs/2309.13115v2 
Calteech link https://www.caltech.edu/about/news/cosmic-simulation-reveals-how-black-holes-grow-and-evolve
0.10830020904541