الثقوب السوداء هي واحدة من أكثر القوى روعة وغموضا في الكون. تنبأت في الأصل من خلال نظرية النسبية العامة لأينشتاين ، تتشكل هذه النقاط في الزمكان عندما تتعرض النجوم الضخمة لانهيار الجاذبية في نهاية حياتهم. على الرغم من عقود من الدراسة والملاحظة ، لا يزال هناك الكثير لا نعرفه عن هذه الظاهرة.
على سبيل المثال ، لا يزال العلماء في حالة من الغموض حول الطريقة التي تتصرف بها المادة التي تقع في مدار حول الثقب الأسود وتتغذى عليه تدريجيًا (أقراص التنامي). بفضل دراسة حديثة ، حيث أجرى فريق دولي من الباحثين المحاكاة الأكثر تفصيلاً لثقب أسود حتى الآن ، تم التحقق من صحة عدد من التنبؤات النظرية المتعلقة بأقراص التنامي.
تألف الفريق من علماء الفيزياء الفلكية الحسابية من معهد أنتون بانيكويك للفلك بجامعة أمستردام ، ومركز جامعة نورث وسترن للاستكشاف متعدد التخصصات والبحث في الفيزياء الفلكية (CIERA) ، وجامعة أكسفورد. ظهرت نتائج بحثهم في عدد 5 يونيو من الإشعارات الشهرية للجمعية الفلكية الملكية.
من بين النتائج التي توصلوا إليها ، أكد الفريق نظرية وضعت أصلاً في عام 1975 من قبل جيمس باردين وجاكوبوس بيترسون ، والتي أصبحت تعرف باسم تأثير باردين-بيترسون. وفقًا لهذه النظرية ، وجد الفريق أنه بينما ستبقى المنطقة الخارجية لقرص التنامي مائلة ، فإن المنطقة الداخلية للقرص سوف تتماشى مع خط الاستواء في الثقب الأسود.
ببساطة ، كل ما يعرفه الباحثون عن الثقوب السوداء تم تعلمه من خلال دراسة أقراص التراكم. بدون هذه الحلقات الساطعة للغاز والغبار ، من غير المحتمل أن يتمكن العلماء من تحديد الثقوب السوداء. علاوة على ذلك ، يعتمد نمو الثقب الأسود وسرعة دورانه أيضًا على قرص التنامي ، مما يجعل دراسته ضروريًا لفهم تطور وسلوك الثقوب السوداء.
كما ألكسندر تشيخوفسكوي ، وهو
منذ أن اقترح باردين وبيترسون نظريتهما ، عانت محاكاة الثقب الأسود من عدد من المشكلات التي منعتهما من تحديد ما إذا كانت هذه المحاذاة تحدث. بادئ ذي بدء ، عندما تقترب أقراص التراكم من Event Horizon ، فإنها تتسارع إلى سرعات هائلة وتتحرك عبر مناطق ملتوية من الزمكان.
المسألة الثانية التي تزيد من تعقيد الأمور هي حقيقة أن دوران الثقب الأسود يجبر الزمكان على الدوران حوله. تتطلب كل من هذه القضايا أن علماء الفيزياء الفلكية يفسرون آثار النسبية العامة ، ولكن لا تزال هناك مشكلة الاضطراب المغناطيسي. هذا الاضطراب يجعل جزيئات القرص متماسكة معًا في شكل دائري و
حتى الآن ، لم يكن لدى علماء الفيزياء الفلكية القدرة الحاسوبية على تفسير كل هذا. لتطوير كود قوي قادر على تنفيذ المحاكاة التي تأخذ في الاعتبار الموارد الوراثية والاضطراب المغناطيسي ، طور الفريق رمزًا يعتمد على وحدات المعالجة الرسومية (GPUs). مقارنة بوحدات المعالجة المركزية التقليدية (CPU) ، تعد وحدات معالجة الرسومات أكثر كفاءة في معالجة الصور وخوارزميات الحوسبة التي تعالج مساحات كبيرة من البيانات.
أدرج الفريق أيضًا طريقة تسمى تحسين الشبكة المتكيفة ، والتي توفر الطاقة من خلال التركيز فقط على كتل محددة حيث تحدث الحركة وتتكيف وفقًا لذلك. لتوضيح الفرق ، قارن Tchekhovskoy GPUs و
"لنفترض أنك بحاجة إلى الانتقال إلى شقة جديدة. سيكون عليك القيام بالكثير من الرحلات مع هذا فيراري القوي لأنه لن يتناسب مع العديد من الصناديق. ولكن إذا كان بإمكانك وضع صندوق واحد على كل حصان ، فيمكنك تحريك كل شيء دفعة واحدة. هذا هو GPU. يحتوي على الكثير من العناصر ، كل منها أبطأ من تلك الموجودة في وحدة المعالجة المركزية ، ولكن هناك الكثير منها ".
أخيرًا وليس آخرًا ، أجرى الفريق محاكاة باستخدام الحواسيب العملاقة Blue Waters في المركز الوطني لتطبيقات الحوسبة الفائقة (NCSA) في جامعة إلينوي في أوربانا شامبين. ما وجدوه هو أنه بينما يمكن تجانب المنطقة الخارجية للقرص ، ستتم محاذاة المنطقة الداخلية مع خط الاستواء في الثقب الأسود وسيقوم الالتفاف السلس بربطها.
بالإضافة إلى توفير إغلاق لنقاش طويل حول الثقوب السوداء وأقراص التراكب الخاصة بها ، تظهر هذه الدراسة أيضًا أن الفيزياء الفلكية قد تقدمت منذ أيام باردين وبيترسون. كما لخص الباحث ماثيو ليسكا:
"لا تحل هذه المحاكاة مشكلة عمرها 40 عامًا فحسب ، ولكنها أثبتت أيضًا أنه ، على عكس التفكير النموذجي ، من الممكن محاكاة أكثر أقراص التراكم في النسبية العامة. وهذا يمهد الطريق لجيل جديد من المحاكاة ، والتي آمل أن تحل مشاكل أكثر أهمية تحيط بأقراص التراكم المضيئة ".
حل الفريق اللغز القديم لتأثير باردين-بيترسون بتخفيف قرص التنامي إلى درجة لم يسبق لها مثيل وعوامل الاضطراب الممغنط الذي يتسبب في تراكم القرص. جعلت عمليات المحاكاة السابقة تبسيطًا كبيرًا بمجرد تقريب تأثيرات الاضطراب.
علاوة على ذلك ، عملت المحاكاة السابقة مع الأقراص الرقيقة التي يبلغ الحد الأدنى لنسبة الارتفاع إلى نصف القطر فيها 0.05 ، في حين أن التأثيرات الأكثر إثارة للاهتمام التي شاهدها Tchekhovskoy وزملاؤه حدثت بمجرد أن تم تخفيف القرص إلى 0.03. ولدهشتهم ، وجد الفريق أنه حتى مع أقراص التراكم الرقيقة بشكل لا يصدق ، فإن الثقب الأسود لا يزال ينبعث من جزيئات وإشعاعات في جزء من سرعة الضوء (المعروف أيضًا باسم الطائرات النسبية).
كما أوضح تشيخوفسكوي ، كان هذا اكتشافًا غير متوقع إلى حد ما:
"لم يتوقع أحد أن تنتج الطائرات من هذه الأقراص بسماكات طفيفة. توقع الناس أن الحقول المغناطيسية التي تنتج هذه الطائرات ستمزق هذه الأقراص الرقيقة حقًا. لكن ها هم. وهذا يساعدنا في الواقع على حل ألغاز المراقبة ".
مع كل الاكتشافات الحديثة التي قام بها علماء الفيزياء الفلكية فيما يتعلق بالثقوب السوداء وأقراص تراكمها ، يمكنك القول أننا نعيش في "العصر الذهبي النسبية" الثاني. ولن يكون من المبالغة القول إن النتائج العلمية لكل هذا البحث قد تكون هائلة. من خلال فهم كيفية تصرف المادة في ظل الظروف الأكثر تطرفًا ، نقترب أكثر من أي وقت مضى من معرفة كيف تتوافق القوى الأساسية للكون معًا.
