شبیهسازی سیاهچاله طرح اولیهای را برای مشاهدات آینده فراهم میکند!!
اولین تصویر از یک سیاهچاله هسته کهکشان Messier 87 را نشان میدهد که توسط امواج رادیویی توسط تلسکوپ افقرویداد در سال 2019 گرفته شده است. اعتبار: National Science Foundation / Event Horizon Telescope Consortium
ستارهشناسان همچنان به ساخت شبیهسازی رایانهای برای کمک به رصدخانه های آینده برای دسترسی به سیاهچالهها، دست نیافتنیترین ساکنان جهان ادامه میدهند.
گرچه سیاهچالهها به احتمال زیاد در جهان وجود دارند، اما به سختی قابل مشاهده هستند. دانشمندان اولین تصویر رادیویی سیاهچاله را تا سال 2019 ثبت نکردند و فقط حدود چهار ده ادغام سیاهچاله از طریق امواج گرانشی از زمان اولین کشف در سال 2015 کشف شده است.
بنابراین دانشمندان به دنبال شبیهسازی سیاهچالهها هستند تا بینشی اساسی بدست آورند که به ادغام بیشتر در ماموریتهای آینده کمک میکند. برخی از این شبیهسازیها، توسط دانشمندانی مانند فیزیکدان فیزیک نجومی، اسکات نوبل، سیستمهای دوتایی بزرگ سیاهچالهای را دنبال میکنند. این جایی است که دو سیاهچاله بزرگ مانند آنچه در مراکز کهکشانها یافت میشود، به دور یکدیگر میچرخند تا اینکه در نهایت ادغام شوند.
شبیهسازیهای ایجاد شده توسط رایانههایی که از طریق مجموعهای از معادلات بسیار پیچیده هستند و حل آنها با دست بسیار دشوار است، نحوه تعامل ماده در محیطهای ادغام را نشان میدهد. دانشمندان میتوانند از آنچه در مورد ادغام سیاهچالهها آموختهاند برای شناسایی برخی از ویژگیهایی استفاده کنند که به آنها امکان میدهد ادغام سیاهچالهها را از وقایع ستارهای تشخیص دهند. سپس ستارهشناسان میتوانند به دنبال این علائم گویا و ادغام سیاهچالههای واقعی باشند.
نوبل که در مرکز پروازهای فضایی گوددارد ناسا در گرینبلت مریلند کار میکند گفت که این سیستمهای دودویی امواج گرانشی منتشر میکنند و بر گازهای اطراف تأثیر میگذارند و منجر به نمایش نور منحصر به فردی میشود که با تلسکوپهای معمولی قابل تشخیص است. این امر اجازه میدهد تا دانشمندان در مورد جنبههای مختلف آن چیزهایی یاد بگیرند. مشاهداتی که اشکال مختلف نور یا امواج گرانشی را با هم ترکیب میکنند، میتوانند به دانشمندان اجازه دهند مدلهای خود را از سیستمهای دوتایی سیاهچاله اصلاح کنند.
نوبل گفت: “ما برای دیدن همه چیز در آنجا به نور اعتماد کردهایم.” “اما همه چیز نور را ساطع نمیکند، بنابراین تنها راه” دیدن”مستقیم سیاهچالهها از طریق امواج گرانشی است که تولید میکنند. امواج گرانشی و نور حاصل از گازهای اطراف روشهای مستقلی برای یادگیری در مورد سیستم هستند. “
شبیهسازی سیاهچالههای دوتایی همچنین میتوانند به مأموریت آنتن فضایی تداخلسنج لیزری (LISA) کمک کنند. انتظار میرود این رصدخانه موج گرانشی مستقر در فضا، به رهبری آژانس فضایی اروپا را با مشارکت قابل توجه ناسا در سال 2034 به انجام برساند. اگر با شبیهسازی مشخص شود که چه ویژگیهای الکترومغناطیسی یک سیستم سیاهچاله دوتایی را از سایر وقایع متمایز میکند، دانشمندان میتوانند این سیستمها را قبل از LISA تشخیص دهند. نوبل گفت: پس از پرتاب LISA میتوان این مشاهدات را از طریق شناسایی اضافی تأیید کرد.
در این شبیهسازی رایانهای گاز در سیاهچالههای عظیم میدرخشد. مدلهایی از این دست ممکن است در نهایت به دانشمندان کمک کند تا نمونههای واقعی این سیستمهای دوتایی قدرتمند را مشخص کنند.
این امر به دانشمندان اجازه میدهد تا بررسی کنند که LISA کار میکند، سیستمها را برای مدت طولانیتری قبل از ادغام آنها مشاهده میکنند، آنچه اتفاق میافتد را پیشبینی میکنند و این پیشبینیها را آزمایش می کنند.
نوبل گفت: “ما قبلا هرگز نتوانستهایم چنین کاری کنیم.” “این امر واقعاً هیجانانگیز است.”
نوبل گفت، این شبیهسازیها به کدی تکیه میکنند که نحوه تغییر چگالی و فشار پلاسما در مناطق گرانش نزدیک یک سیاهچاله یا ستاره نوترونی را توصیف میکند. وی این کد را اصلاح کرد تا امکان ایجاد دو سیاهچاله فراهم شود.
نوبل در حال همکاری با گوددارد و شرکای دانشگاهی از جمله برنارد کلی در دانشگاه مریلند، مانوئلا کامپانلی با هدایت تیمی از محققان در انستیتوی فناوری روچستر و جولیان کرولیک با هدایت تیم تحقیقاتی دانشگاه جان هاپکینز است.
کلی با استفاده از رویکرد ویژهای به نام شبیهسازی حفره متحرک شبیهسازی میکند.
کلی گفت: این شبیهسازیها به دانشمندان اجازه میدهد تا از نمایش یکتایی در داخل افق رویداد – بخشی از سیاهچاله که هیچ چیز از آن فرار نمیکند، جلوگیری کنند. همه چیز خارج از افق رویداد تکامل مییابد، در حالی که اجسام درون آن از قبل شبیهسازی متوقف میشوند. این اجازه را به دانشمندان میدهد که این واقعیت را نادیده بگیرند که نمیدانند در افق رویداد چه اتفاقی میافتد.
برای تقلید از موقعیتهای زندگی واقعی که سیاهچالهها دیسکهای تجمع گاز، گرد و غبار و مواد منتشر شده را جمع میکنند، دانشمندان مجبورند کد اضافی را برای پیگیری نحوه تعامل مواد یونیزه با میدانهای مغناطیسی استفاده کنند.
این تجسم دادههای ابررایانه، تابش اشعه ایکس از دیسک پیوسته داخلی سیاهچاله را نشان میدهد. اعتبار: ناسا گوددارد / جرمی شنیتمن / اسکات نوبل
کلی گفت: “ما در تلاشیم کدهای مختلف و روش های شبیه سازی را به طور یکپارچه و صحیح بهم بچسبانیم تا یک تصویر منسجم تولید کنیم.”
در سال 2018 ، این تیم تجزیه و تحلیل شبیهسازی جدید را در The Astrophysical Journal منتشر کرد که به طور کامل تأثیرات فیزیکی نظریه نسبیت عام اینشتین را درهم آمیخته است تا تأثیرات ادغام بر محیط اطراف را نشان دهد. این شبیهسازی نشان داد که گاز در سیستمهای سیاه چاله دوتایی عمدتا در نور ماوراءبنفش و اشعه ایکس میدرخشد.
شبیهسازیها همچنین نشان داد که دیسکهای تجمیع شده در این سیستمها کاملاً روان نیستند. یک توده متراکم در حال چرخش در این دوتایی است و هر بار که سیاهچاله جاروب میشود، ماده را از توده خارج میکند. این برخورد باعث گرم شدن ماده میشود، یک سیگنال روشن تولید میکند و یک نوسان قابل مشاهده از نور ایجاد میکند.
جرمی شنیتمن، اخترفیزیکدان گوددارد علاوه بر بهبود اعتماد به نفس در دقت شبیهسازیها، گفت که آنها همچنین باید بتوانند کد شبیهسازی مشابه را روی یک سیاهچاله یا یک دوتایی اعمال کنند و شباهتها و همچنین تفاوتهای این دو سیستم را نشان دهند.
اشنیتمن گفت: “این شبیهسازی به ما میگوید که سیستم ها باید چگونه باشند.” “LISA در مقایسه با تلسکوپ نوری بیشتر شبیه آنتن رادیویی است. ما قصد داریم چیزی را در جهان بشنویم و جهت اصلی آن را بدست آوریم، اما هیچ چیز دقیق نیست. کاری که ما باید انجام دهیم این است که تلسکوپهای دیگر را ببریم و به آن قسمت نگاه کنیم از آسمان و شبیهسازیها به ما میگویند که برای یافتن یک سیاهچاله چه چیزی را جستجو کنیم. “
کلی گفت: LISA قادر خواهد بود سیستمهای دوتایی با جرم کوچکتر را خیلی زودتر حس کند و احتمالاً سیستمهای ادغامی را به موقع تشخیص میدهد.
از نظر اشنیتمن، این شبیهسازیها برای درک واقعی اطلاعات LISA و سایر فضاپیماها جمعآوری میشود.
“ما احتمالاً هرگز یک سیاهچاله دوتایی با تلسکوپ پیدا نخواهیم کرد تا زمانی که آنها را تا جایی که دقیقاً میدانیم به دنبال چه چیزی هستیم شبیهسازی کنیم، زیرا آنها بسیار دور هستند، بسیار کوچک هستند، چیزی که شما میخواهید ببینید فقط یک لکه نور است. “
منبع:
Black hole simulations provide blueprint for future observations
by Emma Edmund, NASA’s Goddard Space Flight Center
https://phys.org/news/2021-05-black-hole-simulations-blueprint-future.html