블랙홀은 우주에서 가장 훌륭하고 신비한 힘 중 하나입니다. 아인슈타인의 일반 상대성 이론에 의해 원래 예측 된, 시공간의이 지점들은 거대한 별들이 그들의 삶의 끝에 중력 붕괴를 겪을 때 형성됩니다. 수십 년간의 연구와 관찰에도 불구하고 우리는이 현상에 대해 아직도 많이 알지 못합니다.
예를 들어, 과학자들은 블랙홀 주위를 도는 궤도에 떨어지고 점차적으로 그 위에 공급되는 물질 (행동 디스크)이 어떻게 행동하는지에 대해 여전히 어둠 속에 있습니다. 국제 연구팀이 현재까지 블랙홀에 대한 가장 상세한 시뮬레이션을 수행 한 최근 연구 덕분에, accretion disks에 관한 많은 이론적 예측이 최종 검증되었습니다.
이 팀은 암스테르담 대학교의 안톤 판 네콕 (Anton Pannekoek) 천문학 연구소, 노스 웨스턴 대학교 (University of Interdisciplinary Exploration and Research of Astrophysics) (CIERA) 및 옥스포드 대학 (University of Oxford)의 전산 천체 물리학 자로 구성되었습니다. 그들의 연구 결과는 6 월 5 일호에 나타났습니다. 왕립 천문 학회 월간 통지.
그 결과, 팀은 제임스 바딘 (James Bardeen)과 야코 푸스 페터슨 (Jacobus Petterson)이 1975 년에 제시 한 이론을 확인했으며,이 이론은 Bardeen-Petterson Effect로 알려져 있습니다. 이 이론에 따르면, 연구팀은 어크 레션 디스크의 바깥 쪽 영역은 기울어 져 있지만 디스크의 안쪽 영역은 블랙홀의 적도와 일치한다는 것을 발견했습니다.
간단히 말해서, 블랙홀에 대해 연구원들이 알고있는 거의 모든 것이 어크 레션 디스크를 연구함으로써 배웠다. 이 밝은 가스와 먼지 고리가 없으면 과학자들이 블랙홀을 찾을 수 없을 것입니다. 또한 블랙홀의 성장 및 회전 속도는 또한 가속 디스크에 따라 달라 지므로 블랙홀의 진화와 행동을 이해하는 데 필수적입니다.
Alexander Tchekhovskoy로서
Bardeen과 Petterson이 이론을 제안한 이후로 블랙홀 시뮬레이션은 이러한 정렬이 발생하는지 여부를 판단 할 수없는 많은 문제로 어려움을 겪었습니다. 우선, 가속 디스크가 Event Horizon에 접근하면 엄청난 속도로 가속되고 뒤틀린 시공간 영역을 통과합니다.
문제를 더욱 복잡하게 만드는 두 번째 문제는 블랙홀의 회전으로 인해 시공간이 회전하게된다는 사실입니다. 이 두 가지 문제 모두 천체 물리학자가 일반 상대성 이론의 영향을 설명해야하지만 자기 난기류 문제는 남아 있습니다. 이 난기류는 디스크의 입자가 원형으로 유지되도록합니다.
지금까지 천체 물리학 자들은이 모든 것을 설명 할 컴퓨팅 능력을 가지고 있지 않았습니다. GR과 자기 난류를 설명하는 시뮬레이션을 수행 할 수있는 강력한 코드를 개발하기 위해이 팀은 그래픽 처리 장치 (GPU)를 기반으로 코드를 개발했습니다. 기존의 중앙 처리 장치 (CPU)와 비교하여 GPU는 대량의 데이터를 처리하는 이미지 처리 및 컴퓨팅 알고리즘에서 훨씬 더 효율적입니다.
이 팀은 또한 적응 메시 미세 조정이라는 방법을 도입하여 움직임이 발생하는 특정 블록에만 집중하여 에너지를 절약하고 그에 따라 적응합니다. 차이점을 설명하기 위해 Tchekhovskoy는 GPU와
“새 아파트로 이사해야한다고합시다. 이 강력한 페라리는 많은 상자에 맞지 않기 때문에 여행을 많이해야합니다. 그러나 각 말에 하나의 상자를 넣을 수 있다면 모든 것을 한 번에 이동할 수 있습니다. 이것이 GPU입니다. 여기에는 많은 요소가 있는데, 각 요소는 CPU의 요소보다 느리지 만 요소가 너무 많습니다.”
마지막으로,이 팀은 어 바나 샴페인에있는 일리노이 대학의 NCSA (National Center for Supercomputing Applications)에서 Blue Waters 슈퍼 컴퓨터를 사용하여 시뮬레이션을 실행했습니다. 그들이 발견 한 것은 디스크의 외부 영역이 바둑판 식으로 배열 될 때 내부 영역이 블랙홀의 적도와 정렬되고 부드러운 뒤틀림이 연결된다는 것입니다.
블랙홀과 그 축적 디스크에 대한 오랜 논쟁에 대한 폐쇄를 제공하는 것 외에도,이 연구는 Bardeen과 Petterson 시절부터 천체 물리학이 발전한 것을 보여줍니다. 연구원 인 Matthew Liska는 다음과 같이 요약했습니다.
“이러한 시뮬레이션은 40 세의 문제를 해결할뿐만 아니라 일반적인 사고와는 달리 전체 상대성도에서 가장 빛나는 가속 디스크를 시뮬레이션 할 수 있음을 보여주었습니다. 이를 통해 차세대 시뮬레이션을위한 길을 열었습니다.이 기술은 발광 디스크를 둘러싼 훨씬 더 중요한 문제를 해결할 수 있기를 바랍니다.”
이 팀은 Accretion 디스크를 전례없는 수준으로 얇게하고 자화 된 난기류를 고려하여 Barreen-Petterson Effect의 오랜 미스터리를 해결했습니다. 이전의 시뮬레이션은 난기류의 영향을 근사화함으로써 실질적으로 단순화되었습니다.
또한 이전 시뮬레이션은 최소 높이 대 반지름 비율이 0.05 인 얇게 한 디스크로 작업 한 반면, Tchekhovskoy와 그의 동료가 가장 흥미로운 효과는 디스크가 0.03으로 얇아지면 발생했습니다. 놀랍게도, 연구팀은 엄청나게 얇은 부착 디스크를 사용해도 블랙홀은 여전히 빛의 속도 (일명 상대 론적 제트기)의 입자 제트와 방사능 제트를 방출한다는 것을 발견했습니다.
Tchekhovskoy가 설명했듯이 이것은 예상치 못한 결과였습니다.
“아무도 이러한 디스크에서 제트가 약간의 두께로 생성 될 것으로 예상하지 못했습니다. 사람들은이 제트를 생성하는 자기장이이 얇은 디스크를 찢어 버릴 것이라고 예상했습니다. 그러나 그들은 있습니다. 그리고 그것은 실제로 우리가 관찰 신비를 해결하는 데 도움이됩니다.”
천체 물리학 자들이 블랙홀과 그에 따른 디스크에 관해 최근에 발견 한 것을 발견하면, 우리는 두 번째“골든 상대성 시대”에 살고 있다고 말할 수 있습니다. 그리고이 모든 연구의 과학적 성과는 엄청날 수 있다고해도 과언이 아닙니다. 가장 극단적 인 조건에서 물질이 어떻게 행동하는지 이해함으로써 우리는 우주의 기본 힘이 어떻게 조화를 이루는 지 배우는 데 점점 더 가까워지고 있습니다.
