شبیه‌سازی حیرت‌انگیز نور اطراف سیاه‌چاله‌ها

اخترفیزیکدانان با ساخت شبیه‌سازی‌های مهیبی، چگونگی تولید طبیعی پدیده‌های نوری خیره‌کننده توسط سیاه‌چاله‌ها را نشان دادند که از میلیاردها سال نوری فاصله، قابل رصد هستند.

در این تصاویر شگفت‌انگیز، سیاه‌چاله‌ها به شکل یک فضای تیره و خالی در مرکز دیده می‌شوند؛ چراکه نور قادر به بازتاب از آن‌ها نیست. اما در اطراف این «هیولاها»، الگوهایی رنگارنگ و زنده با طیف‌های بنفش، صورتی و نارنجی دیده می‌شوند. این جلوه‌های نوری خیره‌کننده، محصول موادی مانند گاز، گرد و غبار و… هستند که هنگام سقوط به داخل سیاه‌چاله، انرژی ساطع می‌کنند.

متخصصان بنیاد سایمونز در نیویورک، موفق شدند که با استفاده از داده‌های طیف نوری واردشده به رایانه‌های پرقدرت، این پدیده جالب در فضا را مشاهده کنند.

لیژونگ ژانگ، نویسنده این تحقیق، در مصاحبه با دیلی‌میل توضیح داد که این رنگ‌ها نشان‌دهنده چگالی گاز هستند و هرچه رنگ روشن‌تر باشد، به معنای چگالی بیشتر گاز در اطراف سیاه‌چاله است.

سیاه‌چاله‌ها منشأ جاذبه‌ای بسیار قوی هستند و گرد و غبار، گاز، سیارات و حتی سیاه‌چاله‌های دیگر اطراف خود را می‌بلعند.

چنانچه انسانی به درون یکی از این هیولاهای کیهانی سقوط کند، نیروهای گرانشی به حدی زیاد خواهند بود که پدیده «ماکارونی‌شدگی» (Spaghettification) برای او رخ خواهد داد.

به دلیل کشش گرانشی شدید، سیاه‌چاله‌ها مواد گوناگونی از قبیل گاز، پلاسما و گرد و غبار را به سوی خود می‌کشند تا یک دیسک چرخان و داغ با رنگ نارنجی روشن، به نام «دیسک برافزایشی» تشکیل شود. این دیسک داغ که به دور سیاه‌چاله در گردش است، منبع اصلی نور آن محسوب می‌شود و به همین دلیل، ما قادر به شناسایی سیاه‌چاله‌ها در کهکشان‌های دیگر از فاصله‌ میلیاردها سال نوری هستیم.

تاکنون، تصاویر بسیار واضحی از سیاه‌چاله‌های «کلان‌جرم» به دست آمده؛ این سیاه‌چاله‌ها جرمی معادل صدها میلیون تا میلیاردها برابر جرم خورشید ما دارند.

سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم در طول سال‌ها یا حتی قرن‌ها تکامل می‌یابند و نقش اصلی را در پیشبرد تکامل کهکشان‌ها ایفا می‌کنند.

با این حال، به گفته این تیم، سیاه‌چاله‌های «ستاره‌ای» که ابعاد کوچک‌تری دارند، به این شیوه قابل مشاهده نیستند و تنها به صورت نقاط نوری ریزی دیده می‌شوند.

این محققان برای مدل‌سازی پدیده برافزایش در سیاه‌چاله‌های ستاره‌ای، از دو ابررایانه قدرتمند جهان با نام‌های «فرانتیر» و «اورورا» استفاده کردند که در آزمایشگاه ملی اوک ریج در تنسی و آزمایشگاه ملی آرگون در ایلینوی قرار دارند.

این رایانه‌های «اگزاسکیل»، توانایی انجام یک کوئینتیلیون عملیات در هر ثانیه را دارند که برابر با یک میلیارد میلیارد محاسبه، یا عددی با یک و هجده صفر پس از آن است.

پژوهشگران با کمک این ابررایانه‌ها، رفتار مواد در حال چرخش و حرکت سریع به دور سیاه‌چاله‌های ستاره‌ای را محاسبه کردند.

حتی با وجود این توان محاسباتی بالا، محققان برای دستیابی به نتایج دقیق، به ریاضیات پیچیده و الگوریتم‌هایی نیاز داشتند که برای محاسبات اگزاسکیل بهینه‌سازی شده باشند.

تیم تحقیقاتی از طریق شبیه‌سازی‌های خود نشان داد که ماده چگونه هنگام حرکت مارپیچی به سوی سیاه‌چاله‌های با جرم ستاره‌ای رفتار می‌کند.

این ماده دیسک‌هایی «بسیار آشفته» با غلبه تابش تشکیل می‌دهد که باعث ایجاد بادهای بی‌نظم و حتی گاهی تولید جت‌های قدرتمندی می‌شود.

این تیم گزارش می‌دهد که دیسک برافزایشی «چگال اما نازک»، در نزدیکی سیاه‌چاله، با وجود جریان آشفته‌ای از مواد که آن را تغذیه می‌کند، «پایداری قابل توجهی» دارد.

این دیسک در یک پوشش «با غلبه مغناطیسی» قرار گرفته که به حفظ پایداری کل سیستم کمک می‌کند.

این یافته‌ها که در نشریه اخترفیزیکی (The Astrophysical Journal) به چاپ رسیده‌اند، برای اولین بار فرآیندهای فیزیکی در پدیده برافزایش سیاه‌چاله‌های ستاره‌ای را با دقت محاسبه و ارائه کرده‌اند.

شبیه‌سازی‌های پیشین با ساده‌سازی محاسبات تابش و در نظر گرفتن آن به‎عنوان نوعی سیال (مایع) که رفتار واقعی‌اش را نشان نمی‌داد، از روش‌های میان‌بر استفاده کرده بودند.

این تیم قصد دارد در آینده مشخص کند که آیا روش محاسباتی آنها، برای تمامی انواع سیاه‌چاله‌ها، از جمله سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم که در مراکز اکثر کهکشان‌های بزرگ هستند، قابل استفاده است یا خیر.

سیاه‌چاله کلان‌جرم «کمان ای*» (Sagittarius A*) که در مرکز کهکشان ما است، بیش از ۴ میلیون برابر خورشید جرم دارد.

سیاه‌چاله‌ها آنقدر دور هستند که گرفتن تصویری از یکی از آن‌ها، تنها در سال ۲۰۱۹، با بهره‌گیری از یک شبکه عظیم از تلسکوپ‌های زمینی امکان‌پذیر شد.

با این حال، احتمال بسیار زیادی وجود دارد که تا سال ۲۰۳۵ شاهد یک انفجار سیاه‌چاله باشیم.

تیم دیگری از دانشمندان اخیراً گزارش داده‌اند که ۹۰ درصد احتمال دارد حداقل یک سیاه‌چاله در طول ۱۰ سال آینده منفجر شود.

در صورت وقوع این رویداد، انتظار می‌رود که تلسکوپ‌های مستقر در فضا و روی زمین بتوانند آن را ثبت کنند.