Jak se masivní černé díry přesouvají do středu galaxií a jak jejich pohyb co nejpřesněji modelovat? Odpovědi na tyto otázky hledal mezinárodní tým vědců ve studii publikované v odborném časopise Astronomy & Astrophysics. Na výzkumu se podíleli také vědci z národního superpočítačového centra IT4Innovations.

Kvalitnější simulace pro lepší pochopení vesmíru

Výzkumníci zkoumali, jak se pohybují velmi hmotné černé díry uvnitř galaxií a co způsobuje, že postupně „klesají“ směrem do jejich středu. Autoři se zaměřili na jev zvaný dynamické tření, při němž okolní hmota, například hvězdy nebo temná hmota, zpomaluje pohyb černé díry podobně jako odpor prostředí brzdí pohyb tělesa.

Výzkumný tým spojil analytické výpočty a numerické simulace. Nejprve vytvořil teoretický model popisující očekávaný pohyb černé díry a následně tento model ověřoval pomocí simulací v různých úrovních detailu. Ukázalo se, že výsledky se mohou výrazně lišit podle přesnosti simulace a použitých metod.

Klíčovým výsledkem studie je vylepšená tzv. Dynamical friction correction, tedy korekce dynamického tření. Autoři ji rozšířili o přesnější odhad hustoty hmoty v bezprostředním okolí černé díry, díky čemuž simulace lépe zachycují její skutečný pohyb i při nižším rozlišení výpočtů.

Česká stopa ve výzkumu vesmíru

Na studii spolupracovali také Petr Strakoš a Milan Jaroš z IT4Innovations. Zapojili se zejména do zpracování výsledků ze simulací prováděných na superpočítači Leonardo italského centra Cineca a do jejich následné vizualizace na superpočítači Karolina provozovaném IT4Innovations.

„Pokročilé simulace dnes představují jeden z hlavních nástrojů moderní astrofyziky. Umožňují zkoumat procesy, které nelze přímo pozorovat, a právě proto jsou v této oblasti důležité také postupy, které dokážou získané výsledky názorně a přesně vizualizovat, což byl náš úkol,“ uvedl Milan Jaroš z Laboratoře pro výzkum infrastruktury IT4Innovations.

Co se podařilo zlepšit

Výsledky studie ukázaly, že nová metoda zpřesňuje simulace pohybu černých děr v galaxiích a výrazně zlepšuje jejich shodu s teoretickými předpověďmi. Oproti starším postupům dokáže spolehlivě fungovat i při nižším rozlišení výpočtů a v případech, kdy je černá díra méně hmotná než okolní částice simulace, což bylo dosud problematické. Díky tomu umožňuje realističtější a efektivnější modelování vývoje galaxií, spojování černých děr i vzniku gravitačních vln.

Obrázek: Trajektorie černé díry v simulacích s postupně rostoucím rozlišením.

Obrázek porovnává, jak se černá díra pohybuje směrem ke středu galaxie v různě detailních výpočtech. Každý panel představuje jinou úroveň rozlišení simulace, přičemž zleva doprava roste její detailnost. Spirála znázorňuje pohyb černé díry od počáteční pozice směrem ke středu halo (oblast, která obklopuje galaxii a svou gravitací ji drží pohromadě). Čím je simulace přesnější, tím by měl být výsledek stabilnější a bližší teoretickému modelu.

Autoři tím chtěli ukázat, že při nižším rozlišení může být pohyb černé díry nepřesný, pomalejší nebo chaotičtější, zatímco při vyšším rozlišení se výsledky zlepšují. Jejich korekce dynamického tření (DF correction) navíc pomáhá dosáhnout správného chování i bez extrémně detailní simulace.

Odborné články

Dynamical friction and massive black hole orbits: Analytical predictions and numerical solutions: https://doi.org/10.1051/0004-6361/202556054

Tato práce byla podpořena projektem SPACE v rámci grantové dohody č. 101093441. Projekt je podporován Společným evropským podnikem pro vysoce výkonné počítání (EuroHPC JU) a jeho členy, včetně doplňkového financování Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy České republiky (ID: MC2304).

Tento výzkum byl realizován za podpory Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy České republiky prostřednictvím projektu e-INFRA CZ (ID: 90254).

Poster: Visualisation of Massive Black Hole, Orbital Decay