Supercomputersimulationen enthüllen die Natur der Turbulenzen in Akkretionsscheiben von Schwarzen Löchern

Forschern der Tohoku-Universität und der Utsunomiya-Universität gelang ein Durchbruch beim Verständnis der komplexen Natur von Turbulenzen in Strukturen, die als Akkretionsscheiben bezeichnet werden und Schwarze Löcher umgeben. Dabei haben sie hochmoderne Supercomputer eingesetzt, um Simulationen mit der bislang höchsten Auflösung durchzuführen.

Eine Akkretionsscheibe ist, wie der Name schon sagt, ein scheibenförmiges Gas, das sich spiralförmig auf ein zentrales Schwarzes Loch zubewegt.

Es besteht großes Interesse an der Untersuchung der einzigartigen und extremen Eigenschaften von Schwarzen Löchern. Schwarze Löcher lassen jedoch kein Licht entweichen und können daher mit Teleskopen nicht direkt gesehen werden.

Um Schwarze Löcher zu erforschen und zu untersuchen, sind wir daran interessiert, wie sie ihre Umgebung beeinflussen. Akkretionsscheiben sind eine Möglichkeit, die Auswirkungen von Schwarzen Löchern indirekt zu beobachten, da sie elektromagnetische Strahlung aussenden, die mit Teleskopen beobachtet werden kann.

„Eine präzise Simulation des Verhaltens von Akkretionsscheiben erweitert unser Verständnis der physikalischen Phänomene rund um Schwarze Löcher erheblich“, erklärt Yohei Kawazura. „Es liefert entscheidende Informationen für die Interpretation der Beobachtungsdaten des Event Horizon Telescope. »

Forscher nutzten Supercomputer wie den Fugaku von RIKEN (bis 2022 der schnellste Computer der Welt) und den ATERUI II von NAOJ, um Simulationen mit beispielloser Auflösung durchzuführen.

Die Studie wurde veröffentlicht in Wissenschaftliche Fortschritte am 28. August 2024.

Obwohl es bereits numerische Simulationen von Akkretionsscheiben gibt, hat aufgrund fehlender Rechenressourcen noch keine den Trägheitsbereich beobachtet. Diese Studie war die erste, die den „Trägheitsbereich“, der große und kleine Wirbel in der Turbulenz von Akkretionsscheiben verbindet, erfolgreich reproduzieren konnte.

Es wurde auch festgestellt, dass „langsame magnetosonische Wellen“ diesen Bereich dominieren. Diese Entdeckung erklärt, warum Ionen in Akkretionsscheiben selektiv erhitzt werden. Die turbulenten elektromagnetischen Felder von Akkretionsscheiben interagieren mit geladenen Teilchen und beschleunigen möglicherweise einige von ihnen auf extrem hohe Energien.

In der Magnetohydronamik sind Magnetoschallwellen (langsam und schnell) und Alfvén-Wellen die Hauptwellentypen. Langsame Magnetoschallwellen dominieren den Trägheitsbereich und tragen etwa die doppelte Energie der Alfvén-Wellen. Die Forschung verdeutlicht auch einen grundlegenden Unterschied zwischen Akkretionsscheibenturbulenzen und Sonnenwindturbulenzen, bei denen Alfvén-Wellen dominieren.

Dieser Fortschritt sollte die physikalische Interpretation von Beobachtungsdaten von Radioteleskopen verbessern, die sich auf Regionen in der Nähe von Schwarzen Löchern konzentrieren.