Lubang hitam telah menjadi sumber daya tarikan yang tidak berkesudahan sejak Teori Relativiti Umum Einstein meramalkan keberadaannya. Dalam 100 tahun yang lalu, kajian mengenai lubang hitam telah berkembang pesat, namun kekaguman dan misteri objek-objek ini tetap ada. Sebagai contoh, para saintis telah memperhatikan bahawa dalam beberapa kes, lubang hitam mempunyai jet besar partikel bermuatan yang berasal dari mereka yang memanjang selama berjuta-juta tahun cahaya.
Ini "jet relativistik" - dinamakan begitu kerana mereka mendorong zarah-zarah bermuatan pada pecahan kepantasan cahaya - telah membingungkan para astronom selama bertahun-tahun. Tetapi berkat kajian baru-baru ini yang dilakukan oleh pasukan penyelidik antarabangsa, wawasan baru telah diperoleh mengenai jet ini. Selaras dengan Relativiti Umum, para penyelidik menunjukkan bahawa jet ini secara beransur-ansur mengalami perubahan (iaitu menukar arah) akibat ruang-waktu diseret ke dalam putaran lubang hitam.
Kajian mereka, yang berjudul "Pembentukan Jet Precessing oleh Tilted Black Hole Disc in 3D General Relativistic MHD Simulations", baru-baru ini muncul di Makluman Bulanan Persatuan Astronomi Diraja. Pasukan ini terdiri daripada anggota dari Pusat Eksplorasi dan Penyelidikan Antara Disiplin dalam Astrofizik (CIERA) di Northwestern University.
Demi kajian mereka, pasukan ini melakukan simulasi menggunakan superkomputer Blue Waters di University of Illinois. Simulasi yang mereka jalankan adalah yang pertama untuk memodelkan tingkah laku jet relativistik yang berasal dari Supermassive Black Holes (SMBH). Dengan hampir satu miliar sel komputasi, ia juga merupakan simulasi resolusi tertinggi lubang hitam yang pernah dicapai.
Seperti yang dijelaskan oleh Alexander Tchekhovskoy, penolong profesor fizik dan astronomi di Weinberg College of Arts and Sciences Northwestern, dalam siaran akhbar Northwestern Now baru-baru ini:
"Memahami bagaimana lubang hitam berputar menyeret ruang-waktu di sekitarnya dan bagaimana proses ini mempengaruhi apa yang kita lihat melalui teleskop tetap menjadi teka-teki yang penting dan sukar untuk retak. Nasib baik, kejayaan dalam pengembangan kod dan lompatan dalam seni bina komputer super membawa kita semakin dekat untuk mencari jawapannya. "
Sama seperti semua Lubang Hitam Supermasif, SMBH yang berputar dengan cepat selalu menelan masalah (aka. Akrilik). Walau bagaimanapun, lubang hitam yang berputar dengan cepat juga terkenal dengan cara mereka mengeluarkan tenaga dalam bentuk jet relativistik. Perkara yang memakan lubang hitam ini membentuk cakera berputar di sekitarnya - aka. cakera penambah - yang dicirikan oleh garis panas dan tenaga medan magnet yang panas.
Kehadiran garis medan ini memungkinkan lubang hitam menggerakkan tenaga dalam bentuk jet ini. Kerana jet ini sangat besar, mereka lebih senang dikaji berbanding lubang hitam itu sendiri. Dengan berbuat demikian, ahli astronomi dapat memahami seberapa cepat arah jet ini berubah, yang memperlihatkan banyak perkara mengenai putaran lubang hitam itu sendiri - seperti orientasi dan ukuran cakera berputar mereka.
Simulasi komputer yang lebih maju diperlukan untuk kajian mengenai lubang hitam, terutamanya kerana ia tidak dapat dilihat dalam cahaya yang kelihatan dan biasanya sangat jauh. Sebagai contoh, SMBH yang terdekat dengan Bumi adalah Sagittarius A *, yang terletak sekitar 26.000 tahun cahaya di pusat galaksi kita. Oleh itu, simulasi adalah satu-satunya cara untuk menentukan bagaimana sistem yang sangat kompleks seperti lubang hitam beroperasi.
Dalam simulasi sebelumnya, saintis beroperasi dengan anggapan bahawa cakera lubang hitam diselaraskan. Walau bagaimanapun, kebanyakan SMBH didapati mempunyai cakera miring - iaitu cakera berputar di sekitar paksi yang terpisah daripada lubang hitam itu sendiri. Oleh itu, kajian ini sangat penting kerana menunjukkan bagaimana cakera dapat mengubah arah berbanding dengan lubang hitamnya, yang membawa kepada jet pendahuluan yang secara berkala mengubah arahnya.
Perkara ini sebelumnya tidak diketahui kerana banyaknya kekuatan pengkomputeran yang diperlukan untuk membina simulasi 3-D di kawasan yang mengelilingi lubang hitam yang cepat berputar. Dengan sokongan geran National Science Foundation (NSF), pasukan dapat mencapainya dengan menggunakan Blue Waters, salah satu superkomputer terbesar di dunia.
Dengan adanya komputer super ini, pasukan dapat membina kod simulasi lubang hitam pertama, yang mereka percepat dengan menggunakan unit pemprosesan grafik (GPU). Berkat gabungan ini, pasukan dapat melakukan simulasi yang mempunyai tahap resolusi tertinggi yang pernah dicapai - iaitu hampir dengan satu bilion sel komputasi. Seperti yang dijelaskan oleh Tchekhovskoy:
"Resolusi tinggi membolehkan kami, untuk pertama kalinya, memastikan bahawa gerakan cakera bergelora skala kecil ditangkap dengan tepat dalam model kami. Yang mengejutkan kami, gerakan ini ternyata sangat kuat sehingga menyebabkan cakera menggemukkan dan pemutaran cakera berhenti. Ini menunjukkan bahawa penularan boleh berlaku dalam ledakan. "
Kemunculan jet relativistik dapat menjelaskan mengapa fluktuasi cahaya telah diperhatikan berasal dari sekitar lubang hitam pada masa lalu - yang dikenali sebagai ayunan kuasi-berkala (QPO). Rasuk ini, yang pertama kali ditemui oleh Michiel van der Klis (salah satu penulis bersama dalam kajian ini), beroperasi dengan cara yang hampir sama dengan balok quasar, yang nampaknya mempunyai kesan kuat.
Kajian ini adalah salah satu dari banyak yang dilakukan untuk memutar lubang hitam di seluruh dunia, tujuannya adalah untuk mendapatkan pemahaman yang lebih baik mengenai penemuan baru-baru ini seperti gelombang graviti, yang disebabkan oleh penggabungan lubang hitam. Kajian-kajian ini juga diterapkan pada pengamatan dari Event Horizon Telescope, yang menangkap gambar pertama bayangan Sagittarius A *. Apa yang akan mereka ungkapkan pasti menggembirakan dan memukau, dan berpotensi memperdalam misteri lubang hitam.
Pada abad yang lalu, kajian tentang lubang hitam telah berkembang pesat - dari teori semata-mata, hingga kajian tidak langsung mengenai kesannya terhadap bahan di sekitarnya, hingga kajian gelombang graviti itu sendiri. Mungkin suatu hari nanti, kita sebenarnya dapat mempelajarinya secara langsung atau (jika tidak terlalu diharapkan) mengintip secara langsung di dalamnya!
