За пределами тени: Как суперкомпьютеры исследуют тайны черных дыр
Первые изображения черной дыры потрясли мир в 2019 году: заголовки газет говорили о светящемся объекте в форме пончика в центре галактики Messier 87 (M87), расположенной в 55 миллионах световых лет от Земли. Сегодня суперкомпьютерные симуляции позволяют ученым детальнее изучить среду за пределами «тени» черной дыры — область материи, находящуюся непосредственно за горизонтом событий.
«С того момента, как мы получили первое изображение черной дыры, нам пришлось проделать огромную работу, чтобы понять, что происходит в ее ближайших окрестностях», — говорит 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, образуя мегателескоп размером с Землю. EHT использует метод интерферометрии со сверхдлинной базой, позволяющий совмещать сигналы телескопов для создания изображений, на которых видна черная дыра M87.
На изображении виден свет от горячих электронов, вращающихся вдоль магнитных линий и создающих синхротронное излучение.
«Мы хотим понять природу частиц плазмы, которую поглощает черная дыра, а также детали магнитных полей, взаимодействующих с этой плазмой и формирующих мощные джеты из элементарных частиц, наблюдаемые в M87», — поясняет Чейл.
Эти джеты, подобные маякам, указывают на присутствие черной дыры в центре галактики, выбрасывая частицы на тысячи световых лет от источника.
Суперкомпьютеры: моделирование плазмы, магнетизма и гравитации
Ученые по всему миру используют суперкомпьютеры, чтобы раскрыть секреты одного из самых экстремальных уголков Вселенной — окрестностей черных дыр.
Группа Чейла применяет передовые симуляции для изучения взаимодействия высокоэнергетической плазмы, мощных магнитных полей и гравитации вблизи этих космических гигантов. Эти силы не действуют изолированно — их динамика формирует процессы поглощения материи, запуска джетов и излучения, которое фиксирует EHT.
Новые методы симуляции Чейла, описанные в исследовании, опубликованном в феврале 2025 года в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, учитывают раздельное моделирование электронов и протонов в плазме, а не традиционный подход, рассматривающий их как единую жидкость.
«Наша работа — первый шаг к использованию более сложных вычислительных методов для анализа взаимодействия частиц и определения их температур. Мы обнаружили, что электроны в M87 примерно в 100 раз холоднее протонов, что противоречит многим текущим моделям», — объяснил Чейл.
Симуляции проводились на суперкомпьютерах Stampede2 и Stampede3 в Техасском центре передовых вычислений (TACC) с использованием ресурсов программы NSF ACCESS. Они включали 11 моделей магнито-гидродинамики (GRMHDS), учитывающих разные параметры вращения черных дыр.
Что дальше? Новые горизонты исследований
Ученые EHT планируют создать «фильм», отслеживающий эволюцию тени черной дыры M87 с 2017 по 2025 год. Данные уже указывают на динамику: яркость отдельных участков кольца меняется из-за турбулентности плазмы.
«Черные дыры — это невероятно сложные системы. Суперкомпьютерные симуляции — наш главный инструмент, чтобы разобраться в их природе», — отметил Чейл.
Будущие исследования будут направлены на интеграцию данных новых телескопов, таких как космическая обсерватория «Спектр-М» (Миллиметрон) или африканская сеть радиотелескопов, что позволит повысить разрешение изображений. Кроме того, ученые планируют изучить, как джеты черных дыр влияют на эволюцию галактик, ускоряя или подавляя звездообразование.
«Мы находимся на пороге революции в понимании черных дыр. Каждая симуляция — это не просто код на экране, а окно в реальность, где царят законы квантовой гравитации», — добавил Чейл.
В ближайшие годы коллаборация EHT планирует расширить сеть телескопов, включив в нее новые инструменты в Гренландии и Антарктиде. Это улучшит разрешение изображений и позволит наблюдать менее массивные черные дыры, такие как Стрелец A* в центре Млечного Пути, с беспрецедентной детализацией. Параллельно развитие квантовых вычислений открывает возможности для моделирования квантовых эффектов вблизи горизонта событий — области, где классическая физика перестает работать.
Еще одним направлением станет изучение связи между черными дырами и темной материей. Некоторые теоретические модели предполагают, что аккреция темной материи может влиять на форму джетов и яркость тени. Проверка этих гипотез потребует совместной работы астрофизиков, физиков-теоретиков и специалистов по машинному обучению для анализа petabytes данных.
«Черные дыры — это не только гравитационные ловушки, но и идеальные лаборатории для проверки законов физики в экстремальных условиях. Каждое новое открытие приближает нас к объединению общей теории относительности и квантовой механики», — заключил Чейл.
В нашем Telegram‑канале, и группе ВК вы найдёте новости о непознанном, НЛО, мистике, научных открытиях, неизвестных исторических фактах. Подписывайтесь, чтобы ничего не пропустить.
