Симуляции раскрыли неожиданные температуры электронов у горизонта событий черной дыры M87

Суперкомпьютерные симуляции помогают ученым глубже понять среду за пределами «тени» черной дыры — материю, находящуюся прямо за горизонтом событий. Источник: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2025). DOI: 10.1093/mnras/staf200

Первые изображения черной дыры, опубликованные в 2019 году, потрясли мир — на них был запечатлен светящийся объект в форме пончика в центре галактики Messier 87 (M87), расположенной в 55 миллионах световых лет от Земли. Теперь суперкомпьютерные симуляции помогают ученым уточнить детали среды за пределами «тени» черной дыры — области, находящейся прямо за горизонтом событий.

«С тех пор, как мы получили первое изображение черной дыры, ведется активная работа по изучению среды вокруг нее», — сказал Эндрю Чейл, научный сотрудник Принстонского университета и участник инициативы Princeton Gravity Initiative.

Чейл входит в состав коллаборации Event Horizon Telescope (EHT), которая объединяет телескопы по всему миру в виртуальный мегателескоп размером с Землю. EHT использует метод сверхдлинной базовой интерферометрии, позволяющий сравнивать сигналы телескопов и создавать детализированные изображения черной дыры M87.

На изображении черной дыры виден свет от горячих электронов, которые движутся по спирали вокруг магнитных полей и создают синхротронное излучение.

«Мы хотим понять природу частиц плазмы, которую поглощает черная дыра, а также детали магнитных полей, взаимодействующих с этой плазмой и создающих мощные джеты из субатомных частиц», — пояснил Чейл.

Эти джеты, подобно маякам, указывают на возможное присутствие черной дыры в центре галактики M87, выбрасывая частицы на тысячи световых лет.

Суперкомпьютеры в изучении черных дыр

Ученые по всему миру используют суперкомпьютеры для исследования одного из самых экстремальных уголков Вселенной — пространства вокруг черных дыр.

Группа Чейла применяет передовые симуляции для моделирования взаимодействия высокоэнергетической плазмы, мощных магнитных полей и гравитации вблизи этих космических гигантов. Эти силы взаимодействуют сложным образом, позволяя черным дырам поглощать материю, выбрасывать джеты и излучать свет, который фиксирует Event Horizon Telescope.

Новые достижения Чейла в моделировании описаны в его исследовании, опубликованном в феврале 2025 года в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. В отличие от стандартных симуляций, где протоны и электроны рассматриваются как единая жидкость, его метод учитывает их раздельное поведение.

«Это первая попытка использовать более сложный и ресурсоемкий метод для моделирования отдельных видов частиц — электронов и протонов — и изучения их взаимодействия, особенно разницы в температурах», — объяснил ученый.

Суперкомпьютер Stampede3 в TACC — стратегический ресурс, финансируемый NSF и используемый тысячами ученых. Источник: TACC

Разница температур между электронами и протонами влияет на яркость и другие свойства изображения черной дыры.

«Наши симуляции показали, что температура электронов значительно выше, чем предполагалось ранее. Однако мы пока не можем объяснить низкую поляризацию, которая является ключевым ограничением в понимании температуры плазмы вокруг черной дыры», — отметил Чейл.

Результаты указывают на противоречие между текущими моделями нагрева электронов в физике плазмы и данными наблюдений EHT.

«Похоже, что электроны в черной дыре M87 примерно в 100 раз холоднее протонов. Это интересное направление для дальнейших исследований», — добавил он.

Симуляции проводились на суперкомпьютерах Stampede2 и Stampede3 в Техасском центре передовых вычислений (TACC) при поддержке программы ACCESS, финансируемой Национальным научным фондом США (NSF).

Дальнейшие исследования

Ученые планируют создать «фильм», показывающий эволюцию черной дыры M87 на основе данных EHT за несколько лет.

В январе 2025 года Чейл и его коллеги опубликовали исследование, сравнивающее изображение черной дыры M87 с различными симуляциями. Для этой работы использовались суперкомпьютеры Stampede2, Jetstream и Frontera.

Высокодетализированные симуляции показали, что, хотя «тень» черной дыры сохраняет свои размеры и структуру, она не статична. Ярчайшая точка на кольце смещается из-за турбулентных процессов в плазме у горизонта событий.

«Черные дыры — невероятно сложные объекты. Суперкомпьютерные симуляции — лучший инструмент для их изучения. Удивительно, что мы можем создавать точные модели таких экстремальных и хаотичных процессов», — заключил Чейл.

Дополнительная информация: Andrew Chael, Survey of radiative, two-temperature magnetically arrested simulations of the black hole M87* I: turbulent electron heating, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2025). DOI: 10.1093/mnras/staf200

Источник: University of Texas at Austin