Lubang hitam telah menjadi sumber daya tarik tak berujung sejak Teori Relativitas Umum Einstein meramalkan keberadaan mereka. Dalam 100 tahun terakhir, studi tentang lubang hitam telah meningkat pesat, tetapi kekaguman dan misteri benda-benda ini tetap ada. Sebagai contoh, para ilmuwan telah mencatat bahwa dalam beberapa kasus, lubang hitam memiliki pancaran besar partikel bermuatan yang berasal dari mereka yang memanjang selama jutaan tahun cahaya.
"Jet relativistik" ini - dinamakan demikian karena mereka mendorong partikel bermuatan di sebagian kecil dari kecepatan cahaya - telah membingungkan para astronom selama bertahun-tahun. Namun berkat penelitian terbaru yang dilakukan oleh tim peneliti internasional, wawasan baru telah diperoleh ke dalam jet ini. Konsisten dengan Relativitas Umum, para peneliti menunjukkan bahwa jet-jet ini secara bertahap mendahului (mis. Mengubah arah) sebagai hasil dari ruang-waktu diseret ke dalam rotasi lubang hitam.
Studi mereka, berjudul "Formasi Precessing Jets oleh Tilted Black Hole Discs dalam 3D General Relativistic MHD Simulasi", baru-baru ini muncul di Pemberitahuan Bulanan Royal Astronomical Society. Tim tersebut terdiri dari anggota dari Pusat Eksplorasi Antardisiplin dan Penelitian dalam Astrofisika (CIERA) di Universitas Northwestern.
Demi studi mereka, tim melakukan simulasi menggunakan superkomputer Blue Waters di University of Illinois. Simulasi yang mereka lakukan adalah yang pertama kali memodelkan perilaku jet relativistik yang berasal dari Lubang Hitam Supermasif (SMBH). Dengan hampir satu miliar sel komputasi, itu juga simulasi resolusi tertinggi dari lubang hitam yang bertambah yang pernah dicapai.
Seperti yang dijelaskan Alexander Tchekhovskoy, asisten profesor fisika dan astronomi di Kolese Seni dan Sains Weinberg di Northwestern, dalam siaran pers Northwestern Now baru-baru ini:
“Memahami bagaimana memutar lubang hitam menyeret ruang-waktu di sekitar mereka dan bagaimana proses ini memengaruhi apa yang kita lihat melalui teleskop tetap menjadi teka-teki yang penting dan sulit retak. Untungnya, terobosan dalam pengembangan kode dan lompatan dalam arsitektur superkomputer membawa kita semakin dekat untuk menemukan jawabannya. ”
Seperti halnya semua Lubang Hitam Supermasif, SMBH berputar cepat secara teratur menelan (alias. Accrete). Namun, lubang hitam yang berputar cepat juga dikenal karena cara mereka memancarkan energi dalam bentuk jet relativistik. Materi yang memberi makan lubang hitam ini membentuk disk berputar di sekitar mereka - alias. disk akresi - yang dicirikan oleh gas panas dan garis medan magnet.
Kehadiran garis-garis medan inilah yang memungkinkan lubang hitam untuk mendorong energi dalam bentuk jet-jet ini. Karena jet ini sangat besar, mereka lebih mudah dipelajari daripada lubang hitam itu sendiri. Dengan melakukan itu, para astronom dapat memahami seberapa cepat arah perubahan jet-jet ini, yang mengungkapkan hal-hal tentang rotasi lubang hitam itu sendiri - seperti orientasi dan ukuran disk berputar mereka.
Simulasi komputer tingkat lanjut diperlukan untuk mempelajari lubang hitam, sebagian besar karena mereka tidak dapat diamati dalam cahaya tampak dan biasanya sangat jauh. Sebagai contoh, SMBH terdekat dengan Bumi adalah Sagitarius A *, yang terletak sekitar 26.000 tahun cahaya di pusat galaksi kita. Dengan demikian, simulasi adalah satu-satunya cara untuk menentukan bagaimana sistem yang sangat kompleks seperti lubang hitam beroperasi.
Dalam simulasi sebelumnya, para ilmuwan beroperasi di bawah asumsi bahwa disk lubang hitam selaras. Namun, sebagian besar SMBH ditemukan memiliki disk yang dimiringkan - yaitu disk berputar di sekitar sumbu yang terpisah dari lubang hitam itu sendiri. Oleh karena itu, penelitian ini bersifat mani karena menunjukkan bagaimana cakram dapat mengubah arah relatif terhadap lubang hitamnya, yang mengarah ke jet precessing yang secara berkala mengubah arahnya.
Ini sebelumnya tidak diketahui karena besarnya jumlah daya komputasi yang diperlukan untuk membangun simulasi 3-D wilayah yang mengelilingi lubang hitam yang berputar cepat. Dengan dukungan hibah National Science Foundation (NSF), tim dapat mencapai ini dengan menggunakan Blue Waters, salah satu superkomputer terbesar di dunia.
Dengan superkomputer ini, tim mampu membangun kode simulasi lubang hitam pertama, yang mereka akselerasi menggunakan unit pemrosesan grafis (GPU). Berkat kombinasi ini, tim dapat melakukan simulasi yang memiliki tingkat resolusi tertinggi yang pernah dicapai - yaitu hampir satu miliar sel komputasi. Seperti yang dijelaskan Tchekhovskoy:
“Resolusi tinggi memungkinkan kami, untuk pertama kalinya, untuk memastikan bahwa gerakan disk turbulen skala kecil ditangkap secara akurat dalam model kami. Yang mengejutkan kami, gerakan ini ternyata sangat kuat sehingga menyebabkan disk menjadi gemuk dan presesi disk berhenti. Ini menunjukkan bahwa presesi dapat terjadi dalam semburan. "
Presesi jet relativistik dapat menjelaskan mengapa fluktuasi cahaya telah diamati berasal dari sekitar lubang hitam di masa lalu - yang dikenal sebagai quasi-periodic osilasi (QPOs). Balok-balok ini, yang pertama kali ditemukan oleh Michiel van der Klis (salah satu penulis pendamping dalam penelitian ini), beroperasi dengan cara yang hampir sama dengan balok quasar, yang tampaknya memiliki efek nyala.
Studi ini adalah salah satu dari banyak yang sedang dilakukan pada rotasi lubang hitam di seluruh dunia, yang tujuannya adalah untuk mendapatkan pemahaman yang lebih baik tentang penemuan terbaru seperti gelombang gravitasi, yang disebabkan oleh penggabungan lubang hitam. Studi-studi ini juga diterapkan pada pengamatan dari Event Horizon Telescope, yang menangkap gambar pertama bayangan Sagittarius A *. Apa yang akan mereka ungkapkan pasti akan menggairahkan dan memukau, dan berpotensi memperdalam misteri lubang hitam.
Pada abad yang lalu, studi tentang black hole telah berkembang pesat - dari yang murni teoretis, ke studi tidak langsung dari efek yang mereka miliki terhadap materi di sekitarnya, hingga studi tentang gelombang gravitasi itu sendiri. Mungkin suatu hari, kita mungkin benar-benar dapat mempelajarinya secara langsung atau (jika tidak terlalu berharap) mengintip langsung ke dalamnya!
