كانت الثقوب السوداء مصدرًا لا ينتهي من الانبهار منذ أن توقعت نظرية النسبية العامة لأينشتاين وجودها. في المائة عام الماضية ، تقدمت دراسة الثقوب السوداء إلى حد كبير ، لكن الرعب والغموض في هذه الأشياء لا يزالان. على سبيل المثال ، لاحظ العلماء أنه في بعض الحالات ، تحتوي الثقوب السوداء على نفاثات ضخمة من الجسيمات المشحونة المنبعثة منها والتي تمتد لملايين السنين الضوئية.
هذه "الطائرات النسبية" - التي سميت لأنها تدفع جزيئات مشحونة بجزء من سرعة الضوء - حيرت الفلكيين لسنوات. ولكن بفضل دراسة حديثة أجراها فريق دولي من الباحثين ، تم اكتساب رؤية جديدة في هذه الطائرات. بالتوافق مع النسبية العامة ، أظهر الباحثون أن هذه الطائرات تسبق تدريجيًا (أي تغيير الاتجاه) نتيجة لسحب الزمكان إلى دوران الثقب الأسود.
ظهرت دراستهم بعنوان "تشكيل الطائرات النفاثة بواسطة أقراص الثقب الأسود المائلة في محاكاة MHD النسبية العامة ثلاثية الأبعاد" ، ظهرت مؤخرًا في الإشعارات الشهرية للجمعية الفلكية الملكية. تألف الفريق من أعضاء من مركز الاستكشاف متعدد التخصصات والبحث في الفيزياء الفلكية (CIERA) في جامعة نورث وسترن.
من أجل دراستهم ، أجرى الفريق محاكاة باستخدام الكمبيوتر العملاق Blue Waters في جامعة إلينوي. كانت المحاكاة التي أجراها هي الأولى على الإطلاق التي تصمم سلوك الطائرات النسبية القادمة من الثقوب السوداء الهائلة (SMBHs). مع ما يقرب من مليار خلية حسابية ، كانت أيضًا أعلى محاكاة للثقب الأسود المتراكم الذي تم تحقيقه على الإطلاق.
كما أوضح الكسندر تشيخوفسكوي ، أستاذ مساعد في الفيزياء وعلم الفلك في كلية وينبرغ للفنون والعلوم في نورث وسترن ، في بيان صحفي صدر مؤخراً عن نورث وسترن ناو:
"إن فهم كيفية سحب الثقوب السوداء الدوارة للفضاء المحيط بها وكيف تؤثر هذه العملية على ما نراه من خلال التلسكوبات يظل لغزًا بالغ الأهمية يصعب تصدعه. لحسن الحظ ، فإن الاختراقات في تطوير الكود والقفزات في هندسة الكمبيوتر العملاق تقربنا أكثر من أي وقت مضى للعثور على الإجابات ".
تمامًا مثل جميع الثقوب السوداء الهائلة ، تدور SMBHs سريعة الدوران بشكل منتظم (المعروفة أيضًا باسم مادة). ومع ذلك ، فإن الثقوب السوداء سريعة الدوران معروفة أيضًا للطريقة التي تنبعث بها الطاقة في شكل طائرات نسبية. تشكل المادة التي تغذي هذه الثقوب السوداء قرصًا دوارًا حولها - يُعرف أيضًا. قرص تنامي - يتميز بغاز ساخن وحيوي وخطوط مجال مغناطيسي.
إن وجود هذه الخطوط الميدانية يسمح للثقوب السوداء بدفع الطاقة في شكل هذه الطائرات. نظرًا لأن هذه الطائرات كبيرة جدًا ، فهي أسهل في الدراسة من الثقوب السوداء نفسها. من خلال القيام بذلك ، يتمكن الفلكيون من فهم مدى سرعة تغيير اتجاه هذه الطائرات النفاثة ، مما يكشف عن أشياء حول دوران الثقوب السوداء نفسها - مثل اتجاه وحجم الأقراص الدوارة الخاصة بهم.
تعتبر المحاكاة الحاسوبية المتقدمة ضرورية عندما يتعلق الأمر بدراسة الثقوب السوداء ، ويرجع ذلك إلى حد كبير إلى أنها لا يمكن ملاحظتها في الضوء المرئي وعادة ما تكون بعيدة جدًا. على سبيل المثال ، أقرب SMBH إلى الأرض هو القوس A * ، والذي يقع على بعد حوالي 26000 سنة ضوئية في مركز مجرتنا. على هذا النحو ، المحاكاة هي الطريقة الوحيدة لتحديد كيفية عمل نظام معقد للغاية مثل الثقب الأسود.
في عمليات المحاكاة السابقة ، عمل العلماء على افتراض أن أقراص الثقب الأسود قد تم محاذاتها. ومع ذلك ، تم العثور على معظم SMBHs لديها أقراص مائلة - أي تدور الأقراص حول محور منفصل عن الثقب الأسود نفسه. لذلك كانت هذه الدراسة أساسية في أنها أظهرت كيف يمكن للأقراص تغيير الاتجاه بالنسبة إلى الثقب الأسود ، مما يؤدي إلى الطائرات النفاثة التي تغير اتجاهها بشكل دوري.
لم يكن هذا معروفًا في السابق نظرًا للكمية المذهلة من قوة الحوسبة اللازمة لبناء محاكاة ثلاثية الأبعاد للمنطقة المحيطة بثقب أسود سريع الدوران. بدعم من منحة مؤسسة العلوم الوطنية (NSF) ، تمكن الفريق من تحقيق ذلك باستخدام Blue Waters ، أحد أكبر أجهزة الكمبيوتر العملاقة في العالم.
مع وجود هذا الكمبيوتر العملاق تحت تصرفهم ، تمكن الفريق من إنشاء أول رمز لمحاكاة الثقب الأسود ، والذي قاموا بتسريعه باستخدام وحدات المعالجة الرسومية (GPUs). بفضل هذا المزيج ، تمكن الفريق من إجراء عمليات محاكاة حققت أعلى مستوى من الدقة على الإطلاق - أي ما يقرب من مليار خلية حسابية. كما أوضح تشيخوفسكوي:
"أتاحت لنا الدقة العالية ، للمرة الأولى ، التأكد من أن حركات الأقراص المضطربة الصغيرة الحجم تم التقاطها بدقة في نماذجنا. لدهشتنا ، تبين أن هذه الحركات قوية للغاية لدرجة أنها تسببت في تسمين القرص وتوقف القرص. هذا يشير إلى أن البادرة يمكن أن تحدث في رشقات نارية ".
يمكن أن تفسر الحركة النفاثة النفاثة سبب ملاحظة تقلبات الضوء القادمة من حول الثقوب السوداء في الماضي - والتي تُعرف باسم التذبذبات شبه الدورية (QPOs). تعمل هذه الحزم ، التي تم اكتشافها لأول مرة بواسطة ميشيل فان دير كليس (أحد المؤلفين المشاركين في الدراسة) ، بنفس الطريقة التي تعمل بها أشعة الكوازار ، والتي يبدو أن لها تأثير ستروب.
هذه الدراسة هي واحدة من العديد من الدراسات التي تجري على الثقوب السوداء الدوارة حول العالم ، والغرض منها هو الحصول على فهم أفضل للاكتشافات الحديثة مثل موجات الجاذبية ، والتي تنتج عن اندماج الثقوب السوداء. يتم تطبيق هذه الدراسات أيضًا على الملاحظات من Event Horizon Telescope ، والتي التقطت الصور الأولى لظل القوس A *. ما سيكشفون عنه بالتأكيد هو إثارة وإثارة الدهشة ، وربما تعميق سر الثقوب السوداء.
في القرن الماضي ، تقدمت دراسة الثقوب السوداء بشكل كبير - من النظرية البحتة ، إلى الدراسات غير المباشرة للتأثيرات التي تحدثها على المادة المحيطة ، إلى دراسة موجات الجاذبية نفسها. ربما في يوم من الأيام ، قد نكون قادرين بالفعل على دراستهم مباشرة أو (إذا لم يكن هناك الكثير مما نأمله) الأقران مباشرة داخلهم!
