Lỗ đen là một nguồn mê hoặc vô tận kể từ khi Einstein Thuyết Thuyết tương đối rộng dự đoán sự tồn tại của chúng. Trong 100 năm qua, nghiên cứu về các lỗ đen đã tiến bộ đáng kể, nhưng sự sợ hãi và bí ẩn của những vật thể này vẫn còn. Chẳng hạn, các nhà khoa học đã lưu ý rằng trong một số trường hợp, các lỗ đen có các tia cực lớn gồm các hạt tích điện phát ra từ chúng kéo dài hàng triệu năm ánh sáng.
Những chiếc máy bay phản lực tương đối của người Viking này - được đặt tên như vậy vì chúng đẩy các hạt tích điện ở một phần tốc độ ánh sáng - đã khiến các nhà thiên văn học bối rối trong nhiều năm. Nhưng nhờ một nghiên cứu gần đây được thực hiện bởi một nhóm các nhà nghiên cứu quốc tế, cái nhìn sâu sắc mới đã đạt được trong các máy bay phản lực này. Phù hợp với Thuyết tương đối rộng, các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng các máy bay phản lực này dần dần cần thiết (tức là đổi hướng) do thời gian không gian bị kéo vào vòng quay của lỗ đen.
Nghiên cứu của họ, có tiêu đề Hình thành các máy bay phản lực cần thiết của các đĩa lỗ đen nghiêng trong các mô phỏng MHD tương đối tổng quát 3D, gần đây đã xuất hiện trong Thông báo hàng tháng của Hiệp hội Thiên văn Hoàng gia. Nhóm nghiên cứu bao gồm các thành viên từ Trung tâm Khám phá và Nghiên cứu Liên ngành trong Vật lý thiên văn (CIERA) tại Đại học Tây Bắc.
Vì lợi ích của nghiên cứu, nhóm nghiên cứu đã tiến hành mô phỏng sử dụng siêu máy tính Blue Waters tại Đại học Illinois. Các mô phỏng mà họ tiến hành là lần đầu tiên mô hình hóa hành vi của các máy bay phản lực tương đối đến từ Lỗ đen siêu khối (SMBH). Với gần một tỷ tế bào tính toán, nó cũng là mô phỏng độ phân giải cao nhất của một lỗ đen đang bồi đắp từng đạt được.
Như Alexander Tchekhovskoy, trợ lý giáo sư vật lý và thiên văn học tại Đại học Khoa học và Nghệ thuật Tây Bắc Weinberg, đã giải thích trong một thông cáo báo chí gần đây của Tây Bắc Now:
Hiểu về cách các lỗ đen quay kéo thời gian không gian xung quanh chúng và quá trình này ảnh hưởng đến những gì chúng ta nhìn thấy qua kính viễn vọng vẫn là một câu đố quan trọng, khó phá vỡ. May mắn thay, những đột phá trong phát triển mã và nhảy vọt trong kiến trúc siêu máy tính đang đưa chúng ta đến gần hơn để tìm ra câu trả lời.
Giống như tất cả các Lỗ đen Siêu khối, SMBH quay nhanh thường xuyên nhấn chìm vật chất (hay còn gọi là bồi tụ). Tuy nhiên, các lỗ đen quay nhanh cũng được biết đến với cách chúng phát ra năng lượng dưới dạng máy bay phản lực tương đối tính. Vấn đề nuôi các lỗ đen này tạo thành một đĩa quay xung quanh chúng - aka. một đĩa bồi tụ - được đặc trưng bởi các dòng khí và từ trường nóng, năng lượng.
Chính sự hiện diện của các đường trường này cho phép các lỗ đen đẩy năng lượng dưới dạng các máy bay phản lực này. Bởi vì những chiếc máy bay phản lực này rất lớn, chúng dễ nghiên cứu hơn so với bản thân các lỗ đen. Khi làm như vậy, các nhà thiên văn học có thể hiểu được hướng của các máy bay này thay đổi nhanh như thế nào, điều này cho thấy những điều về sự quay của các lỗ đen - chẳng hạn như hướng và kích thước của các đĩa quay của chúng.
Mô phỏng máy tính tiên tiến là cần thiết khi nghiên cứu về các lỗ đen, phần lớn là do chúng không thể quan sát được dưới ánh sáng nhìn thấy và thường ở rất xa. Chẳng hạn, SMBH gần Trái đất nhất là Sagittarius A *, nằm cách trung tâm thiên hà của chúng ta khoảng 26.000 năm ánh sáng. Như vậy, mô phỏng là cách duy nhất để xác định cách một hệ thống phức tạp cao như lỗ đen hoạt động.
Trong các mô phỏng trước đây, các nhà khoa học đã vận hành theo giả định rằng các đĩa lỗ đen được căn chỉnh. Tuy nhiên, hầu hết các SMBH đã được tìm thấy có các đĩa nghiêng - tức là các đĩa xoay quanh một trục riêng biệt hơn chính lỗ đen. Do đó, nghiên cứu này rất quan trọng ở chỗ nó chỉ ra cách các đĩa có thể thay đổi hướng so với lỗ đen của chúng, dẫn đến các máy bay tiên quyết thay đổi định kỳ theo hướng của chúng.
Điều này trước đây chưa được biết đến vì sức mạnh tính toán đáng kinh ngạc cần thiết để xây dựng các mô phỏng 3 chiều của khu vực xung quanh một lỗ đen quay nhanh. Với sự hỗ trợ của quỹ khoa học quốc gia (NSF), nhóm nghiên cứu đã có thể đạt được điều này bằng cách sử dụng Blue Waters, một trong những siêu máy tính lớn nhất thế giới.
Với siêu máy tính này theo ý của họ, nhóm nghiên cứu đã có thể xây dựng mã mô phỏng lỗ đen đầu tiên, họ đã tăng tốc bằng cách sử dụng các đơn vị xử lý đồ họa (GPU). Nhờ sự kết hợp này, nhóm đã có thể thực hiện các mô phỏng có độ phân giải cao nhất từng đạt được - tức là gần một tỷ ô tính toán. Như Tchekhovskoy đã giải thích:
Độ phân giải cao cho phép chúng tôi, lần đầu tiên, đảm bảo rằng các chuyển động của đĩa hỗn loạn quy mô nhỏ được ghi lại chính xác trong các mô hình của chúng tôi. Trước sự ngạc nhiên của chúng tôi, những chuyển động này hóa ra mạnh đến mức chúng khiến cho đĩa bị vỗ lên và đĩa đệm dừng lại. Điều này cho thấy rằng suy đoán có thể xảy ra trong các vụ nổ.
Sự tiên đoán của các máy bay phản lực tương đối có thể giải thích tại sao các dao động ánh sáng đã được quan sát đến từ xung quanh các lỗ đen trong quá khứ - được gọi là dao động bán nguyệt (QPOs). Những chùm tia này, lần đầu tiên được phát hiện bởi Michiel van der Klis (một trong những đồng tác giả của nghiên cứu), hoạt động theo cách tương tự như chùm tia quasar, có vẻ như có hiệu ứng strobing.
Nghiên cứu này là một trong nhiều nghiên cứu đang tiến hành xoay quanh các lỗ đen trên khắp thế giới, mục đích của nó là để hiểu rõ hơn về những khám phá gần đây như sóng hấp dẫn, gây ra bởi sự hợp nhất của các lỗ đen. Những nghiên cứu này cũng đang được áp dụng cho các quan sát từ Kính viễn vọng Chân trời Sự kiện, đã chụp được những hình ảnh đầu tiên về bóng của Nhân Mã A *. Những gì họ sẽ tiết lộ chắc chắn sẽ gây hứng thú và kinh ngạc, và có khả năng làm sâu sắc thêm bí ẩn của các lỗ đen.
Trong thế kỷ vừa qua, nghiên cứu về các lỗ đen đã tiến bộ đáng kể - từ lý thuyết thuần túy, đến các nghiên cứu gián tiếp về tác động của chúng đối với vật chất xung quanh, đến nghiên cứu về sóng hấp dẫn. Có lẽ một ngày nào đó, chúng ta thực sự có thể nghiên cứu chúng trực tiếp hoặc (nếu nó không quá nhiều để hy vọng) ngang hàng trực tiếp bên trong chúng!
