Forskare har utvecklat de mest detaljerade simuleringarna hittills av hur materia ackreteras runt svarta hål, med fullständig allmän relativitetsteori och strålnings effekter inkorporerade. Ledd av Lizhong Zhang från Institute for Advanced Study och Flatiron Institute, överensstämmer studien med verkliga astronomiska observationer. Publicerad i The Astrophysical Journal, fokuserar den på stjärnmassiva svarta hål och använder kraftfulla superdatorer.
Beräkningsastrofysiker har gjort ett betydande framsteg i modellering av ackretion vid svarta hål, processen genom vilken dessa kosmiska objekt drar in omgivande materia och avger intensiv strålning. Den nya studien, publicerad i The Astrophysical Journal, introducerar ett beräkningsramverk som beräknar materialflöden in i svarta hål utan förenklade antaganden, och fullt ut tar hänsyn till Einsteins allmänna relativitetsteori och strålningsdominerade förhållanden.
Leidd av Lizhong Zhang, en gemensam postdoktoralforskare vid Institute for Advanced Studys School of Natural Sciences och Flatiron Institutes Center for Computational Astrophysics, påbörjades forskningen under Zhangs första år på institutet 2023-24 och fortsatte på Flatiron. "Detta är första gången vi har kunnat se vad som händer när de viktigaste fysikaliska processerna i svart hålsackretion inkluderas korrekt", sa Zhang. "Dessa system är extremt olinjära – vilket förenklat antagande som helst kan förändra resultatet helt. Det mest spännande är att våra simuleringar nu reproducerar anmärkningsvärt konsistenta beteenden över svarta hålsystem som ses på himlen, från ultraluminösa röntgenkällor till röntgendubbelstjärnor."
Modellerna riktar sig mot stjärnmassiva svarta hål, som är cirka 10 gånger solens massa. Till skillnad från supermassiva svarta hål utvecklas dessa mindre objekt snabbt över minuter till timmar, vilket möjliggör observationer i realtid genom spektralanalys av deras emitterade ljus. Simuleringarna visar materia som spiralerar inåt för att bilda turbulenta, glödande skivor, tillsammans med utströmmande vindar och tillfälliga jetstrålar.
För att uppnå detta fick teamet tillgång till exaskala-superdatorer som Frontier på Oak Ridge National Laboratory och Aurora på Argonne National Laboratory. Viktiga bidrag inkluderade strålningsstransportalgoritmer utvecklade av Christopher White från Flatiron och Princeton University, samt integration i AthenaK-koden av Patrick Mullen, tidigare på institutet och nu på Los Alamos National Laboratory.
Medförfattaren James Stone, professor på institutet, framhöll projektets krav: "Det som gör detta projekt unikt är, å ena sidan, den tid och det arbete som krävts för att utveckla tillämpad matematik och mjukvara kapabel att modellera dessa komplexa system, och å andra sidan, att ha en mycket stor tilldelning på världens största superdatorer för att utföra dessa beräkningar. Nu är uppgiften att förstå all vetenskap som kommer ut ur det."
Denna första artikel i en serie banar väg för att tillämpa ramverket på olika typer av svarta hål, och potentiellt belysa supermassiva sådana som påverkar galaxbildning. De simulerade spektren stämmer nära överens med astronomiska data, vilket förbättrar tolkningarna av dessa gåtfulla objekt.