Команда астрофизиков представила самую подробную на сегодняшний день модель аккреции чёрных дыр — процесса, в ходе которого эти объекты увеличивают массу, поглощая окружающее вещество. Такой прорыв стал возможен благодаря использованию двух экзафлопсных суперкомпьютеров, Frontier и Aurora, и новым алгоритмам, которые впервые позволили проследить все ключевые физические процессы без тех упрощений, на которые исследователям приходилось идти раньше.
По словам авторов работы, им впервые удалось провести цельную симуляцию, охватывающую всю совокупность явлений, формирующих аккреционный диск. Подобные структуры крайне чувствительны к начальным условиям: любая попытка отбросить «второстепенный» фактор может полностью изменить результат. Новый подход дал динамику, необычайно близкую к тому, что астрономы наблюдают в реальных системах — от ультраярких рентгеновских источников до компактных рентгеновских двойных. Авторы подчёркивают, что получили возможность изучать поведение вещества возле чёрной дыры в деталях, которые недоступны обычным наблюдениям.
Аккреционный диск формируется тогда, когда газ попадает в область сильного притяжения чёрной дыры и начинает вращаться по спирали, разогреваясь до экстремальных температур. Впервые структура такого диска была визуализирована коллаборацией Event Horizon Telescope в 2019 году. Масштабы некоторых чёрных дыр ошеломляют: крупнейшая известная Phoenix A превосходит массу Солнца как минимум в 100 миллиардов раз. Из-за таких величин моделирование долгие годы строилось на упрощённых подходах, в которых излучение описывали по аналогии с жидким потоком, хотя его поведение радикально отличается. Подобные допущения неизбежно ограничивали точность результатов.
Команда разработала алгоритмы, которые позволяют рассматривать взаимодействие материи и излучения в рамках общей теории относительности без подобных упрощений. В статье основное внимание уделено чёрным дырам звёздной массы — объектам примерно в десять солнечных масс. По космическим меркам они небольшие, и их аккреционные структуры меняются на масштабах от минут до нескольких часов, что делает такие системы удобными для детального анализа.
Симуляции показывают, что падающее вещество образует крайне динамичный, турбулентный диск, насыщенный интенсивным излучением. Он создаёт мощные ветра и порой выбрасывает узконаправленные струи плазмы — джеты. Полученный спектр хорошо согласуется с рентгеновскими данными, что подтверждает высокую физическую точность модели.
Для того чтобы такие расчёты стали возможны, потребовалась не только вычислительная мощность Frontier и Aurora, но и многолетняя подготовка — от разработки математических методов до создания специализированного программного обеспечения. Как подчёркивает соавтор исследования Джеймс Стоун, именно эта инфраструктура позволила эффективно задействовать экзафлопсные ресурсы. Теперь перед командой стоит задача проанализировать огромный массив данных, который дала новая модель.
Полученная работа открывает путь к более точному пониманию того, как растут чёрные дыры, как формируются рентгеновские источники и каким образом возникают потоки вещества в окрестности самых экстремальных объектов во Вселенной.