Advertentie
De snelste supercomputers ter wereld, aangedreven door chips van Intel en AMD, hebben wetenschappers geholpen om een van de lastigste vragen rond zwarte gaten beter te begrijpen: wat gebeurt er precies met materie wanneer die in de buurt van de rand van een zwart gat komt.
Een team van astrofysici van het Institute for Advanced Study en het Flatiron Institute ontwikkelde de tot nu toe meest gedetailleerde computersimulatie van materie die in een zwart gat valt. Hun studie verscheen in The Astrophysical Journal. Volgens de onderzoekers is dit de eerste keer dat zulke accretiestromen volledig zijn doorgerekend met algemene relativiteitstheorie én stralingseffecten, zonder vereenvoudigende aannames die eerdere simulaties vaak nodig hadden.
Hoofdauteur Lizhong Zhang zegt dat dit een belangrijke stap is. “Dit is de eerste keer dat we kunnen zien wat er gebeurt wanneer de belangrijkste fysische processen rond accretie van zwarte gaten correct worden meegenomen. Deze systemen zijn extreem niet-lineair. Een kleine vereenvoudiging kan het resultaat volledig veranderen.” Volgens Zhang is vooral interessant dat de simulaties gedrag reproduceren dat astronomen al in echte systemen zien, zoals ultralumineuze röntgenbronnen en röntgendubbelsterren. “In zekere zin hebben we deze systemen niet met een telescoop, maar met een computer ‘waargenomen’.”
Nieuwe simulaties van accretieschijven
De onderzoekers voerden een reeks simulaties uit van accretieprocessen, waarbij materie naar een zwart gat toe stroomt. Daarbij varieerden ze verschillende parameters, zoals:
- De snelheid waarmee materie wordt aangevoerd
- De rotatiesnelheid van het zwart gat
- De sterkte en configuratie van magnetische velden
De simulaties werden mogelijk dankzij een nieuw algoritme dat de transportvergelijking van straling direct oplost binnen het kader van de algemene relativiteitstheorie. Dat soort berekeningen zijn extreem zwaar en waren pas haalbaar met moderne exascale-supercomputers, systemen die meer dan een triljoen miljard berekeningen per seconde kunnen uitvoeren.
Uit de modellen blijkt dat wanneer zwarte gaten materie opnemen boven de zogenoemde Eddington-limiet, een dikke accretieschijf ontstaat die wordt ondersteund door stralingsdruk. Deze schijf produceert krachtige winden langs het evenaarsvlak van het systeem. Tegelijk ontstaat in het centrum een smalle trechtervormige structuur, een zogenoemde fotosfeer. Daardoor is de stralingsefficiëntie laag: een groot deel van de energie blijft gevangen in de stroming en ontsnapt niet als licht.
Wat is de Eddington-limiet?
De Eddington-limiet bepaalt hoe fel een object dat materie opslokt theoretisch kan stralen. Zodra de stralingsdruk te groot wordt, duwt die het invallende materiaal weer weg. Daarmee ontstaat een natuurlijke bovengrens voor hoe snel een zwart gat kan groeien.
In de simulaties bleek dat accretie rond of onder deze limiet sterk afhankelijk is van magnetische velden. Wanneer er een netto verticaal magnetisch veld aanwezig is, ontstaat een dunne en zeer dichte schijf rond het middenvlak, omgeven door een magnetisch gedomineerde corona. Zonder zo’n magnetische flux blijft de volledige schijf magnetisch gedomineerd.
Geen van de modellen bereikte de zogeheten magnetically arrested disk-toestand, een extreme situatie waarbij magnetische velden de accretie vrijwel blokkeren. Toch produceerden modellen met sterke magnetische flux en snel roterende zwarte gaten krachtige relativistische jets.
Focus op relatief kleine zwarte gaten
De studie richtte zich op stellaire zwarte gaten, objecten met een massa van ongeveer tien keer die van de zon. Deze zijn moeilijker direct te observeren dan supermassieve zwarte gaten, omdat hun omgeving niet ruimtelijk kan worden afgebeeld. Astronomen moeten daarom vertrouwen op spectrale metingen, bijvoorbeeld van röntgenstraling.
Juist die systemen zijn echter interessant omdat ze snel evolueren. Terwijl veranderingen rond supermassieve zwarte gaten duizenden jaren kunnen duren, veranderen stellaire zwarte gaten op tijdschalen van minuten tot uren. Dat maakt ze geschikt om accretieprocessen in realtime te bestuderen.
De simulaties kwamen opvallend goed overeen met waarnemingen van röntgendubbelsterren en ultralumineuze röntgenbronnen zoals Cyg X-3 en SS433. De onderzoekers denken bovendien dat hun super-Eddington-modellen mogelijk kunnen verklaren wat de mysterieuze “little red dots” zijn die recent door de James Webb Space Telescope zijn ontdekt.
Exascale-supercomputers als sleutel
De berekeningen werden uitgevoerd op twee van de krachtigste supercomputers ter wereld, Frontier, een AMD-gebaseerde exascale-supercomputer bij Oak Ridge National Laboratory en Aurora, een Intel-gebaseerd systeem bij Argonne National Laboratory.
Deze systemen halen prestaties in de orde van exascale, ongeveer een quintiljoen berekeningen per seconde. Daardoor konden onderzoekers vergelijkingen oplossen die voorheen simpelweg te complex waren.
Christopher White ontwikkelde het algoritme voor het transport van straling, terwijl Patrick Mullen het implementeerde in de AthenaK-simulatiecode, die speciaal is geoptimaliseerd voor exascale-computing.
Volgende stap: supermassieve zwarte gaten
De onderzoekers willen hun methode nu uitbreiden naar supermassieve zwarte gaten, die een centrale rol spelen in de evolutie van sterrenstelsels. Daarnaast willen ze beter begrijpen hoe straling en materie onder verschillende omstandigheden met elkaar interageren.
Volgens mede-auteur James Stone laat het project vooral zien hoe belangrijk de combinatie van wiskunde, softwareontwikkeling en supercomputing is geworden in de moderne astrofysica. Jaren aan ontwikkeling van modellen en code kwamen samen met enorme rekenkracht op de grootste supercomputers ter wereld. “Nu begint het echte werk,” zegt Stone. “We moeten alle wetenschap die uit deze simulaties komt nog volledig begrijpen.”