หลุมดำเป็นหนึ่งในพลังที่ยอดเยี่ยมและลึกลับที่สุดในจักรวาล แต่เดิมทำนายไว้โดยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของ Einstein จุดเหล่านี้ในกาลอวกาศเกิดขึ้นเมื่อดาวมวลสูงได้รับแรงดึงดูดของโลกในช่วงสุดท้ายของชีวิต แม้จะมีการเรียนรู้และสังเกตการณ์มาหลายทศวรรษ แต่ก็ยังมีอีกหลายสิ่งที่เราไม่รู้เกี่ยวกับปรากฏการณ์นี้
ยกตัวอย่างเช่นนักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่ยังคงอยู่ในความมืดเกี่ยวกับวิธีที่สสารเข้าสู่วงโคจรรอบ ๆ หลุมดำและถูกป้อนเข้าสู่มัน (ดิสก์เพิ่ม) ต้องขอบคุณการศึกษาเมื่อเร็ว ๆ นี้ที่ทีมนักวิจัยนานาชาติทำการจำลองแบบละเอียดที่สุดของหลุมดำจนถึงปัจจุบันการคาดการณ์เชิงทฤษฎีเกี่ยวกับดิสก์เพิ่มจำนวนได้ถูกตรวจสอบในที่สุด
ทีมประกอบด้วยนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์คำนวณจากสถาบันวิจัยดาราศาสตร์ Pannekoek ของมหาวิทยาลัยอัมสเตอร์ดัมศูนย์ดาราศาสตร์สำรวจและการวิจัยสหวิทยาการฟิสิกส์ดาราศาสตร์ (CIERA) ของมหาวิทยาลัยนอร์ทเวสเทิร์น ผลการวิจัยของพวกเขาปรากฏในฉบับที่ 5 มิถุนายนของ ประกาศรายเดือนของสมาคมดาราศาสตร์
ในบรรดาการค้นพบของพวกเขาทีมยืนยันทฤษฎีแรกเริ่มในปี 1975 โดย James Bardeen และ Jacobus Petterson ซึ่งเป็นที่รู้จักกันในชื่อว่า Bardeen-Petterson Effect ตามทฤษฎีนี้ทีมพบว่าในขณะที่พื้นที่ด้านนอกของดิสก์สะสมมวลชนจะยังคงเอียงอยู่ แต่พื้นที่ด้านในของแผ่นดิสก์จะสอดคล้องกับเส้นศูนย์สูตรของหลุมดำ
เพียงกล่าวทุกอย่างที่นักวิจัยรู้เกี่ยวกับหลุมดำได้รับการเรียนรู้โดยการศึกษาดิสก์สะสมมวลสาร หากปราศจากวงแหวนก๊าซและฝุ่นที่สว่างไสวไม่น่าจะเป็นไปได้ที่นักวิทยาศาสตร์จะสามารถหาหลุมดำได้ ยิ่งไปกว่านั้นการเติบโตและความเร็วในการหมุนของหลุมดำก็ขึ้นอยู่กับดิสก์สะสมมวลสารซึ่งทำให้การศึกษาพวกมันจำเป็นต่อการทำความเข้าใจวิวัฒนาการและพฤติกรรมของหลุมดำ
ในฐานะที่เป็นอเล็กซานเด Tchekhovskoy
ตั้งแต่ Bardeen และ Petterson เสนอทฤษฎีของพวกเขาการจำลองหลุมดำได้รับความเดือดร้อนจากปัญหาต่าง ๆ ที่ทำให้พวกเขาไม่สามารถระบุได้ว่าการวางแนวนี้เกิดขึ้นหรือไม่ ก่อนอื่นเมื่อดิสก์สะสมมวลสารเข้าใกล้ขอบฟ้าเหตุการณ์พวกเขาเร่งความเร็วไปอย่างมากและเคลื่อนที่ผ่านภูมิภาคที่ว่างเปล่าของกาลอวกาศ
ประเด็นที่สองที่ทำให้เกิดความยุ่งยากมากขึ้นคือข้อเท็จจริงที่ว่าการหมุนของหลุมดำบังคับให้เวลาอวกาศหมุนรอบตัวมัน ปัญหาทั้งสองนี้ต้องการนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์บัญชีสำหรับผลกระทบของความสัมพันธ์ทั่วไป แต่ยังคงมีปัญหาของความปั่นป่วนของแม่เหล็ก ความปั่นป่วนนี้ทำให้อนุภาคของดิสก์รวมตัวกันเป็นวงกลมและ
จนถึงขณะนี้นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ยังไม่สามารถคำนวณได้ทั้งหมด เพื่อพัฒนารหัสที่มีประสิทธิภาพซึ่งสามารถจำลองสถานการณ์ที่เกิดจากความผิดพลาดของ GR และสนามแม่เหล็กได้ทีมพัฒนารหัสขึ้นอยู่กับหน่วยประมวลผลกราฟิก (GPU) เมื่อเปรียบเทียบกับหน่วยประมวลผลกลางทั่วไป (CPU) GPUs มีประสิทธิภาพมากกว่าในการประมวลผลภาพและอัลกอริทึมการประมวลผลที่ประมวลผลข้อมูลจำนวนมาก
ทีมยังได้รวมวิธีการที่เรียกว่าการปรับแต่งตาข่ายแบบปรับได้ซึ่งช่วยประหยัดพลังงานโดยการมุ่งเน้นเฉพาะบล็อกที่มีการเคลื่อนไหวและปรับตามความเหมาะสม เพื่อแสดงความแตกต่าง Tchekhovskoy เปรียบเทียบ GPU และ
“ สมมติว่าคุณต้องย้ายเข้าอพาร์ทเมนต์ใหม่ คุณจะต้องเดินทางหลายครั้งด้วย Ferrari ที่ทรงพลังเพราะมันไม่เหมาะกับหลาย ๆ กล่อง แต่ถ้าคุณใส่ม้าแต่ละกล่องได้คุณสามารถย้ายทุกอย่างได้ในครั้งเดียว นั่นคือ GPU มันมีองค์ประกอบมากมายซึ่งแต่ละองค์ประกอบนั้นช้ากว่าในซีพียู แต่มีองค์ประกอบจำนวนมาก”
สุดท้าย แต่ไม่ท้ายสุดทีมของพวกเขาทำการจำลองโดยใช้ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ Blue Waters ที่ National Center for Supercomputing Applications (NCSA) ที่ University of Illinois at Urbana-Champaign สิ่งที่พวกเขาค้นพบคือในขณะที่พื้นที่ด้านนอกของดิสก์อาจเรียงกันได้ แต่พื้นที่ด้านในจะถูกจัดแนวกับเส้นศูนย์สูตรของหลุมดำและวาร์ปที่เรียบจะเชื่อมต่อกัน
นอกเหนือจากการปิดการโต้เถียงกันมายาวนานเกี่ยวกับหลุมดำและดิสก์สะสมของพวกเขาการศึกษานี้ยังแสดงให้เห็นว่ามีความก้าวหน้าทางดาราศาสตร์ไกลออกไปมากตั้งแต่สมัย Bardeen และ Petterson ดังที่ Matthew Liska นักวิจัยสรุป:
“ การจำลองเหล่านี้ไม่เพียง แต่แก้ปัญหาอายุ 40 ปี แต่พวกเขาได้แสดงให้เห็นว่าตรงกันข้ามกับการคิดแบบทั่วไปมันเป็นไปได้ที่จะจำลองดิสก์มวลรวมที่ส่องสว่างมากที่สุดในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป นี่เป็นการปูทางสำหรับการจำลองยุคต่อไปซึ่งฉันหวังว่าจะช่วยแก้ปัญหาที่สำคัญยิ่งกว่ารอบ ๆ แผ่นดิสก์สะสมแสง”
ทีมได้ไขความลึกลับอันยาวนานของ Bardeen-Petterson Effect โดยการทำให้ดิสก์สะสมเสียงบางลงในระดับที่ไม่เคยมีมาก่อนและแยกตัวประกอบในความปั่นป่วนของสนามแม่เหล็กที่ทำให้เกิดดิสก์สะสม การจำลองก่อนหน้านี้ทำให้การทำให้เข้าใจง่ายขึ้นอย่างมากโดยเพียงแค่ประมาณผลกระทบของความปั่นป่วน
ยิ่งไปกว่านั้นการจำลองก่อนหน้านี้ทำงานกับดิสก์ที่มีขนาดเล็กที่มีอัตราส่วนความสูงต่อรัศมีต่ำสุดที่ 0.05 ในขณะที่เอฟเฟ็กต์ที่น่าสนใจที่สุดที่ Tchekhovskoy ดูและเพื่อนร่วมงานของเขาเกิดขึ้นเมื่อดิสก์ถูกทำให้ผอมลง ด้วยความประหลาดใจทีมพบว่าแม้จะมีดิสก์สะสมมวลสารที่บางอย่างไม่น่าเชื่อหลุมดำยังคงปล่อยไอพ่นของอนุภาคและการแผ่รังสีออกมาที่ความเร็วแสงส่วนหนึ่ง (aka. relativistic jets)
ดังที่ Tchekhovskoy อธิบายว่านี่เป็นการค้นพบที่ไม่คาดคิด:
“ ไม่มีใครคาดหวังว่าจะสร้างเครื่องบินเจ็ตโดยแผ่นดิสก์เหล่านี้ที่ความหนาเล็กน้อยเช่นนี้ ผู้คนคาดหวังว่าสนามแม่เหล็กที่ผลิตไอพ่นเหล่านี้น่าจะผ่านดิสก์บาง ๆ เหล่านี้ แต่พวกเขาอยู่ที่นั่น และนั่นช่วยเราแก้ปัญหาความลึกลับเชิงสังเกตการณ์ได้จริง ๆ ”
จากการค้นพบล่าสุดของนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์เกี่ยวกับหลุมดำและดิสก์สะสมมวลสารคุณอาจบอกว่าเรากำลังใช้ชีวิตอยู่ในยุคที่สองของยุคทองสัมพัทธภาพ และมันก็ไม่ได้เป็นการพูดเกินจริงที่จะบอกว่าผลตอบแทนทางวิทยาศาสตร์ของการวิจัยทั้งหมดนี้อาจมหาศาล ด้วยการทำความเข้าใจว่าสสารทำงานภายใต้สภาวะสุดขั้วเราจะเข้าใกล้การเรียนรู้ว่ากองกำลังพื้นฐานของจักรวาลเข้ากันได้อย่างไร
