Lỗ đen là một trong những thế lực tuyệt vời và bí ẩn nhất trong Vũ trụ. Ban đầu được tiên đoán bởi Thuyết Einstein Thuyết tương đối rộng, những điểm này trong không thời gian được hình thành khi những ngôi sao khổng lồ trải qua sự sụp đổ lực hấp dẫn vào cuối đời. Mặc dù đã có nhiều thập kỷ nghiên cứu và quan sát, nhưng vẫn còn nhiều điều chúng ta không biết về hiện tượng này.
Ví dụ, các nhà khoa học vẫn chủ yếu trong bóng tối về việc vật chất rơi vào quỹ đạo xung quanh lỗ đen và dần dần được đưa vào nó (đĩa bồi tụ) hoạt động như thế nào. Nhờ một nghiên cứu gần đây, nơi một nhóm các nhà nghiên cứu quốc tế đã tiến hành mô phỏng chi tiết nhất về lỗ đen cho đến nay, một số dự đoán lý thuyết về đĩa bồi tụ cuối cùng đã được xác thực.
Nhóm nghiên cứu bao gồm các nhà vật lý thiên văn tính toán của Đại học Amsterdam, Anton Anton Pannekoek, Trung tâm nghiên cứu và khám phá liên ngành về vật lý thiên văn (CIERA) và Đại học Oxford. Kết quả nghiên cứu của họ xuất hiện trong số ra ngày 5 tháng 6 của Thông báo hàng tháng của Hiệp hội Thiên văn Hoàng gia.
Trong số những phát hiện của họ, nhóm nghiên cứu đã xác nhận một lý thuyết ban đầu được đưa ra vào năm 1975 bởi James Bardeen và Jacobus Petterson, được biết đến với tên gọi Hiệu ứng Bardeen-Petterson. Theo lý thuyết này, nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng trong khi khu vực bên ngoài của đĩa bồi tụ sẽ vẫn bị nghiêng, thì khu vực bên trong đĩa đĩa sẽ thẳng hàng với đường xích đạo lỗ đen của nó.
Nói một cách đơn giản, mọi thứ mà các nhà nghiên cứu biết về lỗ đen đã được học bằng cách nghiên cứu các đĩa bồi tụ. Nếu không có những vòng khí và bụi sáng chói này, chắc chắn các nhà khoa học sẽ không thể xác định được vị trí của các lỗ đen. Hơn nữa, tốc độ tăng trưởng và tốc độ quay của lỗ đen cũng phụ thuộc vào đĩa bồi tụ của nó, điều này làm cho việc nghiên cứu chúng là cần thiết để hiểu sự tiến hóa và hành vi của lỗ đen.
Như Alexander Tchekhovskoy, một
Kể từ khi Bardeen và Petterson đề xuất lý thuyết của họ, các mô phỏng lỗ đen đã phải chịu một số vấn đề khiến họ không thể xác định liệu sự liên kết này có xảy ra hay không. Trước hết, khi các đĩa bồi tụ tiếp cận Event Horizon, chúng tăng tốc tới tốc độ cực lớn và di chuyển qua các vùng không thời gian bị biến dạng.
Một vấn đề thứ hai làm phức tạp thêm vấn đề là thực tế là một vòng quay đen lỗ đen buộc không gian thời gian quay xung quanh nó. Cả hai vấn đề này đều yêu cầu các nhà vật lý thiên văn tính đến các tác động của thuyết tương đối rộng, nhưng vẫn còn vấn đề nhiễu loạn từ trường. Sự nhiễu loạn này làm cho các hạt Đĩa đĩa giữ lại với nhau theo hình tròn và
Cho đến bây giờ, các nhà vật lý thiên văn vẫn chưa có khả năng tính toán cho tất cả những điều này. Để phát triển một mã mạnh mẽ có khả năng thực hiện các mô phỏng chiếm GR và nhiễu loạn từ tính, nhóm đã phát triển một mã dựa trên các đơn vị xử lý đồ họa (GPU). So với các đơn vị xử lý trung tâm thông thường (CPU), GPU hiệu quả hơn nhiều trong các thuật toán xử lý hình ảnh và điện toán xử lý các luồng dữ liệu lớn.
Nhóm nghiên cứu cũng kết hợp một phương pháp gọi là sàng lọc lưới thích ứng, giúp tiết kiệm năng lượng bằng cách chỉ tập trung vào các khối cụ thể nơi chuyển động xảy ra và thích nghi theo. Để minh họa sự khác biệt, Tchekhovskoy đã so sánh GPU và
Voi Hãy nói rằng bạn cần phải chuyển đến một căn hộ mới. Bạn sẽ phải thực hiện rất nhiều chuyến đi với chiếc Ferrari mạnh mẽ này bởi vì nó đã thắng được phù hợp với nhiều hộp. Nhưng nếu bạn có thể đặt một hộp trên mỗi con ngựa, bạn có thể di chuyển mọi thứ trong một lần. Đó là GPU GPU. Nó có rất nhiều yếu tố, mỗi yếu tố chậm hơn các yếu tố trong CPU, nhưng có rất nhiều yếu tố trong số đó.
Cuối cùng, nhưng không kém phần quan trọng, nhóm đã thực hiện mô phỏng của họ bằng siêu máy tính Blue Waters tại Trung tâm Ứng dụng siêu máy tính quốc gia (NCSA) tại Đại học Illinois tại Urbana-Champaign. Những gì họ tìm thấy là trong khi khu vực bên ngoài của đĩa có thể được lát gạch, khu vực bên trong sẽ được căn chỉnh với đường xích đạo lỗ đen và một sợi dọc sẽ kết nối chúng.
Ngoài việc cung cấp kết thúc cho một cuộc tranh luận lâu dài về các lỗ đen và đĩa bồi tụ của chúng, nghiên cứu này cũng cho thấy vật lý thiên văn đã tiến triển rất xa kể từ thời Bardeen và Petterson. Như Matthew Liska, một nhà nghiên cứu đã tóm tắt:
Những mô phỏng này không chỉ giải quyết một vấn đề 40 năm tuổi, mà họ đã chứng minh rằng, trái với suy nghĩ thông thường, có thể mô phỏng các đĩa bồi tụ phát sáng nhất trong thuyết tương đối rộng. Điều này mở đường cho một thế hệ mô phỏng tiếp theo, mà tôi hy vọng sẽ giải quyết được nhiều vấn đề quan trọng hơn xung quanh các đĩa bồi tụ phát sáng.
Nhóm nghiên cứu đã giải quyết được bí ẩn lâu đời của Hiệu ứng Bardeen-Petterson bằng cách làm mỏng đĩa bồi tụ đến một mức độ chưa từng thấy và bao thanh toán trong nhiễu loạn từ tính làm cho đĩa bị bồi tụ. Các mô phỏng trước đây đã thực hiện một sự đơn giản hóa đáng kể bằng cách chỉ xấp xỉ các tác động của nhiễu loạn.
Hơn thế nữa, các mô phỏng trước đây đã làm việc với các đĩa mỏng có tỷ lệ chiều cao / bán kính tối thiểu 0,05, trong khi các hiệu ứng thú vị nhất được xem bởi Tchekhovskoy và các đồng nghiệp của ông đã xảy ra khi đĩa mỏng đến 0,03. Trước sự ngạc nhiên của họ, nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng ngay cả với các đĩa bồi tụ cực kỳ mỏng, lỗ đen vẫn phát ra các tia hạt và phóng xạ ở một phần tốc độ ánh sáng (hay còn gọi là máy bay phản lực tương đối).
Như Tchekhovskoy đã giải thích, đây là một phát hiện khá bất ngờ:
Không ai mong muốn máy bay phản lực được sản xuất bởi các đĩa này với độ dày nhẹ như vậy. Mọi người dự đoán rằng các từ trường tạo ra các máy bay phản lực này sẽ tách qua các đĩa thực sự mỏng này. Nhưng họ ở đó. Và điều đó thực sự giúp chúng ta giải quyết những bí ẩn quan sát.
Với tất cả những phát hiện gần đây, các nhà vật lý thiên văn đã thực hiện liên quan đến các lỗ đen và đĩa bồi tụ của chúng, bạn có thể nói rằng chúng ta đang sống trong Thời đại Vàng của Thuyết tương đối thứ hai. Và sẽ không quá lời khi nói rằng các khoản chi trả khoa học của tất cả các nghiên cứu này có thể là rất lớn. Bằng cách hiểu cách vật chất hành xử trong những điều kiện khắc nghiệt nhất, chúng ta ngày càng tiến gần hơn đến việc tìm hiểu làm thế nào các lực cơ bản của Vũ trụ khớp với nhau.
