سیاهچاله‌ها و آرشیو شبیه‌سازی

این اولین تصویر از Sagittarius A*، سیاهچاله بسیار پرجرم در مرکز کهکشان ما است. اعتبار: EHT Collaboration

همکاری بین‌المللی تلسکوپ افق رویداد، تصویر دومی از یک سیاه‌چاله – این بار در مرکز کهکشان راه شیری ما بدست آورده است. اما برای معنی دادن به تصویر، همکاری باید آن را با شبیه‌سازی‌های سیاه‌چاله مقایسه می‌کرد.

پس از بسیج بیش از 300 دانشمند و مهندس برای ایجاد شبکه‌ای از تلسکوپهای همزمان که یک تلسکوپ مجازی به اندازه زمین را تشکیل می‌دهند، همکاری بین‌المللی تلسکوپ افق رویداد اولین تصاویری از ابرسیاهچاله‌های پرجرم را ثبت کرد. اولین تصویر، از سیاهچاله در مرکز کهکشان مسیه 87، در سال 2019 منتشر شد. آخرین تصویر که روز پنجشنبه منتشر شد، سیاهچاله را در مرکز کهکشان راه شیری خودمان به نام Sagittarius A* نشان می‌دهد.

اما پس از ثبت این تصاویر چه اتفاقی می‌افتد؟

چی کوان“CK”  چان، استادیار پژوهشی دانشگاه آریزونا در کالج علوم می‌گوید: “گرفتن یک تصویر تازه شروع است. برای درک واقعی جسمی که مشاهده می‌کنیم، مجبور شدیم آن را با شبیه‌سازی مقایسه کنیم.” چان به عنوان دبیر شورای علمی EHT و محقق ارشد پروژه بین‌المللی سیاه چاله PIRE است که برای توسعه زیرساخت‌ها برای ورود پروژه‌های نجومی مانند EHT به عصر علم داده‌های بزرگ کار می‌کند.

چان همچنین رهبر تلاش‌های مدل‌سازی و تفسیر نظری همکاری EHT برای Sagittarius A* است که موضوع آخرین عکس و یک دور مقاله علمی منتشر شده توسط EHT Collaboration در Astrophysical Journal Letters است. او مقاله پنجم را هماهنگ کرد که بر ایجاد شبیه‌سازی‌های سیاه‌چاله و تبدیل آن‌ها به تصاویر مصنوعی متمرکز است که می‌توان آنها را با مشاهدات واقعی مقایسه کرد تا چیز جدیدی در مورد سیاه‌چاله به ما بیاموزد.

در نتیجه این فرآیند، دانشمندان EHT دریافتند که Sagittarius A* احتمالاً در حال چرخش است و میدان مغناطیسی کمی قوی‌تر از آهنربای یخچال دارد که برای دفع گاز اطراف کافی است. گازی که به درون سیاهچاله می‌افتد، دیسکی را تشکیل می‌دهد که رو به روی زمین قرار دارد (نه در لبه). این دیسک درخشان پراکنده از گاز یا پلاسما بسیار گرم شده و ذرات باردار تشکیل شده است. الکترونها 100 برابر سردتر از یونهای پلاسما هستند و دیسک در همان جهتی که سیاهچاله می‌چرخد. همچنین فقط مقداری از این مواد به سیاهچاله می‌ریزد. اگر قوس A* یک نفر بود، هر میلیون سال یک دانه برنج مصرف می‌کرد.

یافتن معنا

UArizona، همراه با دانشگاه ایلینویز و دانشگاه هاروارد، تلاش برای ایجاد بزرگترین مجموعه شبیه‌سازی تا به امروز را رهبری کردند که EHT آن را آرشیو شبیه‌سازی می‌نامد. این کتابخانه هزاران مجموعه داده – حاوی اطلاعاتی در مورد نحوه تعامل پلاسما با میدانهای مغناطیسی اطراف سیاهچاله ها – و میلیون‌ها تصویر شبیه سازی شده است. هر شبیه‌سازی چیزی متفاوت در مورد خواص و ویژگی‌های سیاهچاله و محیط اطراف آن فرض می‌کند.

دانشمندان EHT می‌توانند هر تصویر شبیه‌سازی شده را با تصویر واقعی سیاه‌چاله مقایسه کنند تا مطابقت پیدا کنند. شبیه‌سازی که عکس فوری را با نزدیک‌ترین تطابق ایجاد می‌کند، می‌تواند چیزی در مورد سیاه‌چاله واقعی، از جمله دمای پلاسمای آن و قدرت میدان مغناطیسی آن، به ما بیاموزد.

فرآیند شبیه‌سازی شامل استفاده از ابررایانه‌ها برای حل معادلات مغناطیسی هیدرودینامیکی نسبیتی عام یا GRMHD است که حرکت مواد و انرژی را در اطراف سیاه‌چاله‌ها در فضا و زمان به‌طور چشمگیری نشان می‌دهد. چان گفت، شبیه‌سازی‌های GRMHD مشابه شبیه‌سازی‌هایی هستند که برای درک چگونگی جریان هوا در اطراف هواپیماها استفاده می‌شوند، اما شبیه‌سازی‌های GRMHD همچنین بر نیروهای شدید گرانش تأثیر می‌گذارند که توسط نظریه نسبیت عام اینشتین و برهم‌کنش بین میدان‌های مغناطیسی و پلاسما توضیح داده شده است.

برخلاف معادلات ساده‌تر که می‌توانند با مداد، کاغذ و زمان حل شوند، معادلات GRMHD بسیار پیچیده‌تر هستند، زیرا بازخورد ثابت بین میدان‌های مغناطیسی و پلاسما را به حساب می‌آورند و در نتیجه معادله‌ای همیشه در حال تغییر هستند.

برای ایجاد آرشیو شبیه سازی، EHT Collaboration به 80 میلیون ساعت CPU یا زمان پردازش نیاز داشت که معادل اجرای 2000 لپ‌تاپ با سرعت کامل برای یک سال کامل است. این همکاری محاسباتی را برای ایجاد آرشیوی با ابرکامپیوتر Frontera با بودجه بنیاد ملی علوم در مرکز محاسبات پیشرفته تگزاس انجام داد، جایی که چان محقق اصلی تخصیص مشارکت‌های اجتماعی در مقیاس بزرگ Frontera است. با استفاده از این منبع، تیم توانست آرشیو کامل شبیه‌سازی‌ها را در مدت دو ماه به پایان برساند.

ترجمه: سارا سیدحاتمی

منبع:

Making sense of the nonsensical: Black holes and the simulation library

by Mikayla MacE Kelley, University of Arizona MAY 13, 2022

https://phys.org/news/2022-05-nonsensical-black-holes-simulation-library.html