블랙홀은 아인슈타인의 일반 상대성 이론이 그들의 존재를 예측 한 이래 끝없는 매력의 원천이었습니다. 지난 100 년 동안 블랙홀에 대한 연구는 상당히 발전했지만 이러한 대상에 대한 경외심과 신비가 남아 있습니다. 예를 들어, 과학자들은 경우에 따라 블랙홀에는 수백만 광년 동안 연장되는 거대한 하전 입자가 방출된다고 지적했습니다.
이 "상대적 제트기"는 소량의 빛의 속도로 하전 된 입자를 추진하기 때문에 소위 이름이 붙여졌으며, 수년간 천문학 자들을 혼란스럽게 만들었습니다. 그러나 최근 국제 연구팀이 수행 한 연구 덕분에이 제트기에 대한 새로운 통찰력을 얻었습니다. 일반 상대성 이론과 일치하여, 연구자들은 시공간이 블랙홀의 회전으로 드래그 된 결과 제트가 점차적으로 세차 운동을하는 것으로 나타났다 (즉, 방향 변경).
"3D 일반 상대 론적 MHD 시뮬레이션에서 기울어 진 블랙홀 디스크에 의한 선행 제트 형성"이라는 제목의 연구는 최근에 왕립 천문 학회 월간 고지. 이 팀은 노스 웨스턴 대학의 천체 물리학 연구 및 연구 센터 (CIERA)의 회원들로 구성되었습니다.
연구를 위해 팀은 일리노이 대학교의 Blue Waters 슈퍼 컴퓨터를 사용하여 시뮬레이션을 수행했습니다. 그들이 수행 한 시뮬레이션은 SMBH (Supermassive Black Holes)에서 나오는 상대 론적 제트기의 동작을 모델링 한 최초의 시뮬레이션이었습니다. 10 억 개의 계산 셀에 근접한이 시스템은 지금까지 달성 한 블랙홀의 최고 해상도 시뮬레이션이었습니다.
노스 웨스턴 와인버그 예술 대학의 물리학과 천문학 조교수 인 Alexander Tchekhovskoy는 최근 노스 웨스턴 Now 보도 자료에서 다음과 같이 설명했다.
“블랙홀 회전이 어떻게 시공간을 끌어 당기는지를 이해하고이 과정이 망원경을 통해 보는 것에 어떤 영향을 미치는지 이해하는 것은 여전히 중요하고 깨지기 어려운 퍼즐입니다. 운 좋게도 코드 개발의 획기적인 발전과 슈퍼 컴퓨터 아키텍처의 비약적인 발전으로 우리는 그 해답을 찾는 데 더욱 가까워지고 있습니다.”
모든 초대형 블랙홀과 마찬가지로 빠르게 회전하는 SMBH는 정기적으로 (일명 부정확 한) 물질을 휩싸입니다. 그러나 빠르게 회전하는 블랙홀은 상대 제트기 형태로 에너지를 방출하는 방식으로도 알려져 있습니다. 이 블랙홀을 공급하는 물질은 주위에 회전 디스크를 형성합니다. 가속 디스크 – 열이 통하는 가스와 자기장 라인이 특징입니다.
블랙홀이 제트 형태로 에너지를 추진할 수있게하는 것은 이러한 필드 라인의 존재입니다. 이 제트기는 너무 커서 블랙홀 자체보다 연구하기가 더 쉽습니다. 그렇게함으로써 천문학 자들은이 제트의 방향이 얼마나 빨리 변하는 지 이해할 수 있으며, 이는 회전 디스크의 방향과 크기와 같은 블랙홀 자체의 회전에 관한 사항을 나타냅니다.
블랙홀을 연구 할 때 고급 컴퓨터 시뮬레이션이 필요합니다. 블랙홀은 가시 광선에서 관찰 할 수없고 일반적으로 매우 멀리 있기 때문입니다. 예를 들어, 지구에서 가장 가까운 SMBH는 궁수 자리 A *이며, 우리 은하의 중심에서 약 26,000 광년 떨어져 있습니다. 따라서 시뮬레이션은 블랙홀과 같은 매우 복잡한 시스템의 작동 방식을 결정하는 유일한 방법입니다.
이전 시뮬레이션에서 과학자들은 블랙홀 디스크가 정렬되었다는 가정하에 작동했습니다. 그러나 대부분의 SMBH는 기울어 진 디스크 (즉, 디스크가 블랙홀 자체가 아닌 별도의 축을 중심으로 회전 함)가있는 것으로 나타났습니다. 따라서이 연구는 디스크가 블랙홀을 기준으로 방향을 바꿀 수있는 방법을 보여 주었고, 방향을 주기적으로 바꾸는 선행 제트기를 이끌었다는 점에서 중요했습니다.
이것은 빠르게 회전하는 블랙홀을 둘러싼 영역의 3 차원 시뮬레이션을 구성하는 데 필요한 엄청나게 많은 컴퓨팅 성능으로 인해 이전에는 알려지지 않았습니다. NSF (National Science Foundation) 보조금의 지원으로 팀은 세계에서 가장 큰 슈퍼 컴퓨터 중 하나 인 Blue Waters를 사용하여이를 달성 할 수있었습니다.
이 슈퍼 컴퓨터를 사용할 수있게되면서 팀은 최초의 블랙홀 시뮬레이션 코드를 구성 할 수 있었으며 그래픽 처리 장치 (GPU)를 사용하여 가속화했습니다. 이 조합 덕분에 팀은 최고 수준의 분해능, 즉 10 억 개의 계산 셀에 가까운 시뮬레이션을 수행 할 수있었습니다. Tchekhovskoy가 설명했듯이 :
“고해상도는 처음으로 소규모 난류 디스크 모션이 모델에서 정확하게 포착되도록했습니다. 놀랍게도 이러한 움직임은 너무 강해서 디스크가 뚱뚱해지고 세차 운동이 멈췄습니다. 이것은 세차 운동이 터져 나올 수 있음을 시사한다”고 말했다.
상대 론적 제트기의 세차 운동은 과거에 블랙홀 주변에서 빛의 변동이 관찰 된 이유를 설명 할 수 있는데,이를 QPO (Quasi-periodic Oscillations)라고합니다. Michiel van der Klis (연구의 공동 저자 중 하나)가 처음으로 발견 한이 광선은 퀘이사의 광선과 거의 같은 방식으로 작동합니다.
이 연구는 전세계 블랙홀 회전에 관한 많은 연구 중 하나이며, 블랙홀의 합병으로 인한 중력파와 같은 최근 발견에 대해 더 잘 이해하는 것이 목적입니다. 이 연구는 궁수 자리 A *의 그림자의 첫 번째 이미지를 포착 한 Event Horizon Telescope의 관측에도 적용됩니다. 그들이 공개 할 내용은 흥분과 놀라움, 그리고 블랙홀의 미스터리를 심화시키는 것입니다.
지난 세기에는 블랙홀에 대한 연구가 순전히 이론적 인 것에서부터 주변 물질에 미치는 영향에 대한 간접 연구, 중력파 자체 연구에 이르기까지 상당히 발전했습니다. 아마 언젠가, 우리는 실제로 직접 공부하거나 (바람직하지 않은 경우) 동료들을 직접 공부할 수있을 것입니다!
