Первая фотография чёрной дыры, представшая в 2019 году, стала настоящей сенсацией: миллионы зрителей увидели светящееся кольцо в центре галактики M87, удалённой от нас на 55 миллионов световых лет. Однако за пределами этой знаменитой «тени» скрываются куда более сложные процессы, и теперь исследователи при помощи суперкомпьютерного моделирования начинают глубже разбираться в том, что происходит на границе горизонта событий.
Астрофизик Эндрю Чаэл из Принстонского университета, участвующий в проекте Event Horizon Telescope (EHT), поясняет: ключевая цель с момента публикации снимка — изучение поведения горячей плазмы и структуры магнитных полей, окружающих чёрную дыру. Именно эти процессы ответственны за формирование яркого кольца, наблюдаемого на изображении. Регистрируемое телескопами излучение возникает в результате синхротронного ускорения электронов вдоль линий магнитного поля.
Глобальная сеть EHT объединяет радиотелескопы по всей планете, образуя виртуальную антенну планетарного масштаба, работающую по принципу длиннобазовой интерферометрии. Этот метод позволяет сшивать данные из разных точек наблюдения, достигая рекордного разрешения. Однако интерпретация этих изображений требует построения сложных физических моделей, учитывающих гравитационные искажения, магнитные взаимодействия и поведение материи при экстремальных энергиях.
Команда Чаэла занимается разработкой таких моделей, используя вычислительные мощности Национального центра суперкомпьютерных вычислений TACC. В рамках проекта проведены обширные вычисления на системах Stampede2 и Stampede3, предоставленных по программе ACCESS при поддержке Национального научного фонда США. Главное новшество исследования, опубликованного в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, заключается в переходе от идеализированных жидкостных моделей к более точной схеме, учитывающей электронную и протонную составляющие плазмы как независимые компоненты с различными температурами.
Такой подход позволил реалистичнее смоделировать процессы излучения вблизи чёрной дыры. Оказалось, что температура электронов значительно выше прежних оценок, применявшихся к M87. Однако при этом полученные результаты не воспроизвели наблюдаемую степень поляризации — характеристику, чувствительную к распределению энергии между частицами.
Выводы исследования указывают на существенное расхождение между теоретическими представлениями о механизмах нагрева электронов и эмпирическими данными. Согласно расчётам, электроны в области аккреции оказываются примерно в сто раз холоднее протонов — парадоксальное, но, возможно, ключевое наблюдение, способное объяснить, почему предыдущие модели искажали картину радиационного спектра.
В рамках симуляций были исследованы одиннадцать сценариев с различной угловой скоростью вращения чёрной дыры. В расчётах учитывалась общая теория относительности и магнито-гидродинамические процессы, описывающие взаимодействие плазмы с полями. Такая методология позволяет воссоздавать явления формирования джетов — струй высокоэнергетических частиц, устремляющихся на тысячи световых лет от центра галактики.
По словам Чаэла, именно такого рода моделирование создаёт ощущение, что мы начинаем по-настоящему разбираться в хаотичной среде, господствующей у горизонта событий. Он также подчёркивает, что EHT за последние годы накопил огромный объём необработанных наблюдений, и одна из амбициозных целей проекта — создание динамических изображений, отслеживающих эволюцию структуры кольца во времени.
Уже нынешний анализ показывает: несмотря на устойчивую форму тени, яркость кольца варьируется, а наибольшая светимость перемещается по периметру. Это связано с турбулентностью и неравномерным нагревом вещества вблизи горизонта. Новые расчёты позволяют отслеживать эти изменения и выявлять ранее незаметные закономерности.
«Чёрные дыры — это невероятно сложные объекты. Чтобы понять их поведение, необходимы модели, охватывающие всё — от квантовых процессов до масштабных потоков. Мощные суперкомпьютеры и точные алгоритмы сегодня позволяют нам глубоко реконструировать эти экзотические явления», — резюмирует Чаэл.