دانشمندان واقعیترین مدل شبیهسازی انباشت سیاهچالهای که تا بهحال ساخته شده است را رونمایی کردند
با استفاده از الگوریتمهای پیشرفته و ابرکامپیوترهای اگزاسکل، پژوهشگران شبیهسازیهای واقعیترین تا بهحال از جریان ماده به سمت سیاهچالهها را ایجاد کردهاند.
با تکیه بر دههها تحقیق، گروهی از اخترفیزیکدانان محاسباتی به دستاورد مهمی دست یافتند: آنها دقیقترین مدل تا به امروز از چگونگی جذب ماده اطراف توسط سیاهچالههای پرنور را ساختهاند. با بهکارگیری برخی از پیشرفتهترین ابرکامپیوترهای جهان، تیم برای نخستین بار جریان ماده به سمت سیاهچالهها را تحت نظریهٔ نسبیت عام کامل و در محیطی تحت سلطهٔ تشعشعات شبیهسازی کرد، بدون اینکه به میانبرهای سادهسازیگرایانهای که مطالعات پیشین نیاز داشتند، متکی باشد.
این مطالعه که در Astrophysical Journal منتشر شده است، توسط پژوهشگرانی از مؤسسهٔ مطالعات پیشرفته و مرکز محاسباتی نجوم مؤسسهٔ Flatiron انجام شد. این کار نشانهٔ آغاز یک سری مقالات برنامهریزیشده است که چارچوب محاسباتی جدید آنها را معرفی میکند و بررسی مینماید چگونه میتوان آن را بر روی مجموعهای از سیستمهای سیاهچالهای بهکار برد.
دستیابی به فیزیک انباشت بدون تقریبها
“این نخستین بار است که توانستیم ببینیم چه اتفاقی میافتد وقتی مهمترین فرآیندهای فیزیکی در انباشت سیاهچاله بهدقت گنجانده میشوند. این سیستمها بهطوری فوقالعاده غیرخطی هستند — هر فرض سادهسازی میتواند نتیجه را بهطور کامل تغییر دهد. هیجانانگیزترین نکته این است که شبیهسازیهای ما اکنون رفتارهای بهطرز شگفتآوری سازگار را در سراسر سیستمهای سیاهچالهای که در آسمان مشاهده میشوند، از منابع فوقروشن ایکسری تا دوتاییهای ایکسری، بازتولید میکنند. بهنوعی، ما این سیستمها را نه از طریق تلسکوپ، بلکه از طریق کامپیوتر «مشاهده» کردهایم,” لیزهونگ ژانگ، نویسندهٔ اصلی این مطالعه، اظهار کرد.
ژانگ، یک پژوهشگر پسادکتری مشترک در دانشکدهٔ علوم طبیعی مؤسسهٔ مطالعات پیشرفته و مرکز محاسباتی نجوم مؤسسهٔ Flatiron، پروژه را در سال اول حضورش در IAS (۲۰۲۳–۲۴) راهاندازی کرد و پس از انتقال به Flatiron به کار ادامه داد.
از آنجا که سیاهچالهها نیروی گرانشی بسیار شدیدی اعمال میکنند، هر مدل واقعی از آنها باید نظریهٔ نسبیت عام اینشتین را در برگیرد، نظریهای که توضیح میدهد اشیای بسیار سنگین چگونه فضا‑زمان را خم میکنند. هنگامی که مقادیر عظیمی از ماده به سمت سیاهچاله میافتند، لازم است در نظر بگیریم که تشعشعات حاصل (نور) چگونه در فضا‑زمان خمیده حرکت میکند و با گازهای اطراف تعامل میکند. با این حال، شبیهسازیهای پیشین نتوانستند تمام این چالشهای ریاضی را بههمزمان دربرگیرند و به این ترتیب جنبههای مهمی از فیزیک در دسترس نبودند.
غلبه بر محدودیتهای مدلهای پیشین
همانطور که دانشآموز فیزیک با کار بر روی مدلهای ساده یا «اسباببازی» که تنها بخشی از متغیرهای دنیای واقعی را در بر میگیرند، میآموزد، تلاشهای اولیه برای شبیهسازی جریانهای تشعشعی اطراف سیاهچالهها نیز برای سادهسازی مسئله مجبور به اتخاذ میانبرهای لازم بود.
«روشهای قبلی از تقریبهایی استفاده میکردند که تشعشعات را بهعنوان نوعی سیال در نظر میگرفت، که بازتاب رفتار واقعی آن نیست»، ژانگ توضیح داد.
این تقریبهای پیشین ضروری بودند چون معادلات کامل بهطور فوقالعادهای پیچیده و محاسباتی سنگین هستند. اما با ترکیب بینشهای جمعآوریشده در طی دههها، تیم الگوریتمهای جدیدی توسعه داد که این معادلات را بهصورت مستقیم و بدون تقریب حل میکند. «الگوریتم ما در حال حاضر تنها الگوریتمی است که با درنظر گرفتن تشعشعات بهصورت واقعی در چارچوب نسبیت عام، راهحلی ارائه میدهد»، او افزود.
شبیهسازی سیاهچالههای ستارهای
مقالهٔ آنها بهطور خاص به انباشت بر روی سیاهچالههای با جرم ستارهای میپردازد، که حدود ده برابر جرم خورشید دارند — وزنی نسبتا سبک در مقایسه با Sgr A*، سیاهچالهٔ ابرجرم در مرکز کهکشانمان. شبیهسازیها برای درک این گونه سیاهچالهها ضروری هستند. در حالی که تصاویر با وضوح بالا از سیاهچالههای ابرجرم تهیه شدهاند، سیاهچالههای ستارهای به همان روش قابل مشاهده نیستند و تنها به شکل نقطههای نور ظاهر میشوند؛ بنابراین پژوهشگران مجبورند نور را بهصورت طیفی تجزیه کنند تا دادههای لازم برای نقشهبرداری توزیع انرژی اطراف سیاهچاله بهدست آید.
در مقایسه با سیاهچالههای ابرجرم که در طول سالها یا حتی قرنها تکامل مییابند، سیاهچالههای با جرم ستارهای در مقیاسهای زمانی انسانی یعنی چند دقیقه تا چند ساعت تغییر میکنند؛ این ویژگی آنها را برای مطالعهٔ تحول این سیستمها در زمان واقعی ایدهآل میسازد.
از طریق شبیهسازیهای خود، پژوهشگران نشان دادند که ماده چگونه هنگام چرخش به سوی سیاهچالههای ستارهای رفتار میکند؛ آنها دیسکهای آشوبدار و تحت سلطهٔ تشعشعات را میسازند، بادهای قدرتمند را روان میکنند و گاهی حتی جتهای قدرتمند تولید میکنند. تیم دریافت که مدل آنها با طیفی که از دادههای مشاهداتی بهدست آمدهاند مطابقت شگرفی دارد. این همخوانی بین شبیهسازی و مشاهدات اساسی است، زیرا امکان تفسیرهای قویتر از دادههای محدود موجود برای این اشیای دوردست را فراهم میکند.
مؤسسهٔ مطالعات پیشرفته داشتن سنتی طولانی در پیشبرد مدلسازی محاسباتی سیستمهای پیچیده دارد که برای پیشرفت دانش بشری حیاتی بوده است. یک نمونهٔ اولیه از این سنت، پروژهٔ رایانه الکترونیکی مؤسسه است که توسط استاد مؤسس (۱۹۳۳–۵۵) جان فون نویمان رهبری میشد و در حوزههایی از جمله دینامیک سیال، علم اقلیم و فیزیک هستهای بینش فراهم کرد. بر پایه این میراث، ژانگ و تیم پژوهشیاش به دو ابرکامپیوتر قدرتمند جهان، Frontier و Aurora، که به ترتیب در آزمایشگاه ملی اوک ریج و آزمایشگاه ملی آرگنون مستقر هستند، دسترسی یافتند تا انباشت سیاهچاله را مدلسازی کنند. این ابرکامپیوترهای «اگزاسکل» که قادر به انجام یک کوینتیلیون عملیات در هر ثانیه هستند، میتوانند مساحتی بهقدر هزاران فوت مربع اشغال کنند — شبیه به مقیاس اشغال شدگی اولین کامپیوترهای بزرگ.
برای بهرهبرداری از این منابع محاسباتی عظیم، تیم به ریاضیات پیچیده و کدهای همسطح نیاز داشت. موفقیت تیم در این زمینه بهدست کریستوفر وایت از مؤسسهٔ Flatiron و دانشگاه پرینستون بود که طراحی الگوریتم انتقال تشعشعات را رهبری کرد، و پاتریک مولن، عضو (۲۰۲۱–۲۲) دانشکدهٔ علوم طبیعی که اکنون در آزمایشگاه ملی لوزیلو مشغول به کار است، که پیادهسازی این الگوریتم در کد AthenaK که برای محاسبات اگزاسکل بهینهسازی شده است، رهبری کرد.
تطبیق شبیهسازیها با مشاهدات
در آینده، تیم قصد دارد بررسی کند آیا مدل آنها برای تمام انواع سیاهچالهها قابل استفاده است یا خیر. علاوه بر سیاهچالههای ستارهای، شبیهسازیهای آنها میتوانند درک سیاهچالههای ابرجرم که فرآیند تکامل کهکشانها را بر عهده دارند، ارتقا دهد. تیم به پیشرفت روش خود ادامه خواهد داد تا نحوهٔ متفاوت تعامل تشعشعات با ماده در بازهٔ وسیعی از دما و چگالیها را دربرگیرد.
«آنچه این پروژه را منحصر بهفرد میکند، از یک سو زمان و تلاشی است که صرف توسعه ریاضیات کاربردی و نرمافزار لازم برای مدلسازی این سیستمهای پیچیده شده است، و از سوی دیگر دسترسی عظیم به بزرگترین ابرکامپیوترهای جهان برای انجام این محاسبات»، جیمز استون، استاد دانشکدهٔ علوم طبیعی مؤسسهٔ مطالعات پیشرفته و همنویسنده مقاله، توضیح داد. «اکنون وظیفه ما این است که تمام علم حاصل از این شبیهسازیها را درک کنیم.»
منبع: «مدلهای GRMHD تشعشعی از انباشت بر روی سیاهچالههای ستارهای. I. بررسی نسبتهای ادینسون» توسط لیزهونگ ژانگ، جیمز ام. استون، پاتریک دی. مولن، شین و دیویس، یان‑فیی جیانگ و کریستوفر جی. وایت، ۳ دسامبر ۲۰۲۵، The Astrophysical Journal.
DOI: 10.3847/1538-4357/ae0f91