ブラックホールは、宇宙で最も素晴らしい神秘的な力の1つです。もともとはアインシュタインの一般相対性理論によって予測されていましたが、時空のこれらの点は、重い星がその寿命の終わりに重力崩壊するときに形成されます。何十年もの研究と観察にもかかわらず、この現象について私たちがまだ知らないことがたくさんあります。
たとえば、ブラックホールの周りの軌道に落下し、徐々にブラックホールに降り注ぐ物質（降着円盤）がどのように振る舞うのかについては、科学者たちは依然として大部分が暗いままです。最近の研究のおかげで、国際的な研究チームがこれまでにブラックホールの最も詳細なシミュレーションを実施し、降着円盤に関する多くの理論的予測が最終的に検証されました。
チームは、アムステルダム大学のアントンパンニコック天文学研究所、ノースウエスタン大学の宇宙物理学研究開発センター（CIERA）、およびオックスフォード大学の計算天体物理学者で構成されていました。彼らの研究結果は、6月5日号の 王立天文学会の月次通知。
その結果、チームは1975年にジェームズ・バーディーンとジェイコブス・ペッターソンによって提唱された理論を確認しました。これはバーディーン・ペッターソン効果として知られるようになりました。この理論に従って、チームは降着円盤の外側の領域は傾斜したままであるが、円盤の内側の領域はブラックホールの赤道と一致することを発見しました。
簡単に言えば、ブラックホールについて研究者が知っていることのほとんどすべてが、降着円盤を研究することによって学ばれています。ガスとダストのこれらの明るいリングがなければ、科学者がブラックホールを見つけることができるとは考えられません。さらに、ブラックホールの成長と回転速度もその降着円盤に依存しているため、ブラックホールの進化と振る舞いを理解するにはブラックホールの研究が不可欠です。
Alexander Tchekhovskoyとして、
BardeenとPettersonが理論を提案して以来、ブラックホールシミュレーションは、この調整が行われるかどうかを決定することを妨げる多くの問題に悩まされてきました。まず、降着円盤がイベントホライズンに近づくと、加速して驚異的な速度になり、時空のゆがんだ領域を移動します。
さらに問題を複雑にする2番目の問題は、ブラックホールの回転が時空を強制的に回転させることです。これらの問題はどちらも、天体物理学者が一般相対論の影響を説明することを要求しますが、磁気乱流の問題が残っています。この乱流により、ディスクのパーティクルが円形にまとめられ、
これまで、天体物理学者は、これらすべてを説明する計算能力を持っていませんでした。 GRと磁気乱流を考慮したシミュレーションを実行できる堅牢なコードを開発するために、チームはグラフィカルプロセッシングユニット（GPU）に基づくコードを開発しました。従来の中央処理装置（CPU）と比較すると、GPUは、大量のデータを処理する画像処理および計算アルゴリズムではるかに効率的です。
チームは、適応メッシュリファインメントと呼ばれる方法も取り入れました。これは、動きが発生する特定のブロックのみに焦点を当ててエネルギーを節約し、それに応じて適応します。違いを説明するために、TchekhovskoyはGPUと
「新しいアパートに引っ越す必要があるとしましょう。このパワフルなフェラーリは多くのボックスに収まらないため、多くの旅行をする必要があります。しかし、各馬に1つのボックスを置くことができれば、すべてを一度に移動できます。それがGPUです。多くの要素があり、それぞれがCPUの要素よりも低速ですが、非常に多くの要素があります。」
最後に、ただし重要なこととして、チームはイリノイ大学アーバナシャンペーンにある国立スーパーコンピューティングアプリケーションセンター（NCSA）のBlue Watersスーパーコンピューターを使用してシミュレーションを実行しました。彼らが発見したのは、ディスクの外側の領域がタイリングされていても、内側の領域がブラックホールの赤道に揃えられ、滑らかなワープがそれらを接続するということです。
この研究は、ブラックホールとその降着円盤に関する長年の議論に終止符を打つことに加えて、バーディーンとペッターソンの時代から天体物理学がはるかに進歩したことも示しています。研究者のマシュー・リスカは、次のように要約しています。
「これらのシミュレーションは、40年前の問題を解決するだけでなく、通常の考え方とは異なり、最も明るい降着円盤を完全な一般相対論でシミュレートできることを示しています。これは次世代のシミュレーションへの道を開き、発光降着円盤を取り巻くさらに重要な問題を解決することを望んでいます。」
チームは、降着円盤を前例のない程度に薄くし、円盤を降着させる磁化乱流を考慮に入れることによって、バーディーン・ペッターソン効果の長年の謎を解決しました。以前のシミュレーションでは、乱気流の影響を概算するだけで大幅な簡略化が行われていました。
さらに、以前のシミュレーションは、最小の高さ対半径比が0.05である薄板化されたディスクで機能しましたが、Tchekhovskoyと彼の同僚によって見られた最も興味深い効果は、ディスクが0.03に薄化されると発生しました。驚いたことに、チームは、非常に薄い降着円盤を使っても、ブラックホールが粒子のジェットと光の速度の一部で放射を放出することを発見しました（別名相対論的ジェット）。
Tchekhovskoyが説明したように、これはかなり予想外の発見でした：
「これらのディスクがこのようなわずかな厚さでジェットを生成するとは誰も予想していませんでした。人々は、これらのジェットを生成する磁場が、これらの本当に薄いディスクを通り抜けることを期待していました。しかし、彼らはそこにいます。そして、それは実際に観測の謎を解くのに役立ちます。」
ブラックホールとその降着円盤に関する天体物理学者の最近の発見すべてを踏まえると、私たちは2番目の「黄金時代」に住んでいると言えます。そして、このすべての研究の科学的見返りは計り知れないものになると言っても過言ではありません。最も極端な条件下で物質がどのように動作するかを理解することで、宇宙の基本的な力がどのように組み合わさるかを学ぶことにさらに近づきつつあります。
