天文学者は、光の年の宇宙全体でブラックホールが物質の相対論的噴流を爆発させることができる方法を理解します

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アインシュタインの一般相対性理論でブラックホールの存在が予測されて以来、ブラックホールは魅力の無限の源となっています。過去100年間、ブラックホールの研究はかなり進んでいますが、これらのオブジェクトの畏怖と謎は残っています。たとえば、科学者は、ブラックホールが数百万光年にわたって延びる荷電粒子の大量のジェットを放出する場合があることを指摘しています。

これらの「相対論的ジェット」は、荷電粒子をわずかな光速で推進することからその名が付けられており、何年もの間天文学者を困惑させてきました。しかし、国際的な研究チームによって行われた最近の研究のおかげで、これらのジェットについて新しい洞察が得られました。一般相対性理論と一致して、研究者たちは時空がブラックホールの回転に引きずり込まれた結果として、これらのジェットが次第に歳差運動する(つまり、方向を変える)ことを示しました。

彼らの研究は、「3D一般相対論的MHDシミュレーションにおける傾斜ブラックホールディスクによる歳差運動ジェットの形成」と題され、最近発表されました。 王立天文学会の月次通知。チームはノースウェスタン大学の宇宙物理学研究センター(CIERA)のメンバーで構成されていました。

チームは調査のために、イリノイ大学の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行いました。彼らが行ったシミュレーションは、超大質量ブラックホール(SMBH)からの相対論的ジェットの挙動をモデル化した史上初のモデルです。 10億に近い計算セルにより、これはこれまでに達成された降着ブラックホールの最高解像度のシミュレーションでもありました。

ノースウェスタンのウェインバーグ芸術科学大学の物理学と天文学の助教授であるアレクサンダーチェホフスコイは、最近のノースウェスタンナウのプレスリリースで次のように説明しています。

「ブラックホールの回転がそれらの周りの時空をどのように引きずるのか、そしてこのプロセスが望遠鏡を通して見るものにどのように影響するのかを理解することは、重要で割れにくいパズルのままです。幸いなことに、コード開発の飛躍的進歩とスーパーコンピューターアーキテクチャの飛躍的な進歩により、答えを見つけることがより簡単になりました。」

すべての超大質量ブラックホールと同様に、急速に回転するSMBHは定期的に問題を巻き込みます(別名:付加)。ただし、急速に回転するブラックホールは、相対論的ジェットの形でエネルギーを放出する方法でも知られています。これらのブラックホールに供給される物質は、それらの周りに回転ディスクを形成します–別名。降着円盤–高温の高エネルギーガスと磁力線が特徴です。

ブラックホールがこれらのジェットの形でエネルギーを推進できるようにするのは、これらの磁力線の存在です。これらのジェットは非常に大きいため、ブラックホール自体よりも研究が容易です。そうすることで、天文学者はこれらのジェットの方向がどれだけ速く変化するかを理解することができます。これは、ブラックホール自体の回転についての事柄(回転ディスクの向きやサイズなど)を明らかにします。

ブラックホールの研究に関しては、高度なコンピュータシミュレーションが必要です。これは主に、ブラックホールが可視光では観測できず、通常は非常に遠いためです。たとえば、地球に最も近いSMBHは射手座A *で、銀河の中心から約26,000光年離れています。したがって、シミュレーションは、ブラックホールのような非常に複雑なシステムがどのように動作するかを決定する唯一の方法です。

以前のシミュレーションでは、科学者はブラックホールディスクが整列しているという仮定の下で操作しました。ただし、ほとんどのSMBHにはディスクが傾いていることがわかっています。つまり、ディスクはブラックホール自体とは別の軸の周りを回転します。したがって、この研究は、ディスクがブラックホールに対して方向を変える方法を示し、周期的に方向を変える歳差運動ジェットにつながるという点で、独創的なものでした。

これは以前は知られていませんでした。急速に回転するブラックホールを取り巻く領域の3Dシミュレーションを構築するために必要な計算能力が信じられないほど多いためです。 National Science Foundation(NSF)の助成金により、チームは世界最大のスーパーコンピューターの1つであるBlue Watersを使用してこれを達成することができました。

このスーパーコンピューターを自由に使用することで、チームは最初のブラックホールシミュレーションコードを構築し、グラフィカルプロセッシングユニット(GPU)を使用してこれを高速化できました。この組み合わせのおかげで、チームはこれまでにない最高レベルの解像度、つまり10億近くの計算セルを備えたシミュレーションを実行することができました。 Tchekhovskoyが説明したように:

「高解像度により、初めて、私たちのモデルで小規模な乱流ディスクの動きを正確にキャプチャできるようになりました。驚いたことに、これらの動きは非常に強く、ディスクを太らせ、ディスクの歳差運動を停止させることがわかりました。これは、歳差運動が一気に起こる可能性があることを示唆しています。」

相対論的ジェットの歳差運動は、過去にブラックホールの周囲から光の変動が観測された理由を説明することができます。これは、準周期振動(QPO)として知られています。 Michiel van der Klis(研究の共著者の1人)によって最初に発見されたこれらのビームは、ストロボ効果を持っているように見えるクエーサーのビームとほとんど同じように動作します。

この研究は、世界中で回転しているブラックホールで行われている多くの研究の1つであり、その目的は、ブラックホールの合併によって引き起こされる重力波のような最近の発見について理解を深めることです。これらの研究は、射手座A *の影の最初の画像をキャプチャしたイベントホライズン望遠鏡からの観測にも適用されています。彼らが明らかにすることは、興奮して驚き、そして潜在的にブラックホールの謎を深めることでしょう。

前世紀において、ブラックホールの研究は、純粋に理論的なものから、周囲の物質に及ぼす影響の間接的な研究、重力波自体の研究まで、かなり進歩しました。おそらく、ある日、私たちは実際にそれらを直接研究することができるかもしれません。

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