الفضاء

سمحت لنا النماذج الأكثر دقة من الثقوب السوداء بحل ما يقرب من نصف قرن من طبيعتها

لقد كان حوالي شهرين منذ ذلك الحينكشف العلماء للعالم عن أول صورة حقيقية لثقب أسود ، لكن علماء الفلك يدرسون هذه الأشياء الغامضة لأكثر من قرن. طريقة البحث الحديثة: النمذجة الحاسوبية المتطورة ، مما يسمح بتصور الثقوب السوداء مع مستوى غير مسبوق من التفاصيل ، والتي لا يمكن لأحد من التلسكوبات المتاحة للبشرية أن يشير إليها. في الآونة الأخيرة ، ابتكر فريق دولي من العلماء نماذج الكمبيوتر الأكثر تفصيلاً من الثقب الأسود ، وبمساعدتهم ، أثبتوا أن لغزًا دام نصف قرن تقريباً مرتبطًا بطبيعة أقراص التراكم - الأمر الذي يقع في النهاية في ثقب أسود.

نتائج المحاكاة التي أجراهاأظهر علماء الفيزياء الفلكية من جامعات أمستردام وأكسفورد وجامعة نورث وسترن أن المنطقة الداخلية لقرص التراكم تقع في الطائرة الاستوائية للثقب الأسود ، وذلك وفقًا لما جاء في بيان صحفي نُشر على موقع جامعة نورث وسترن (الولايات المتحدة الأمريكية).

لغز نصف قرن من الثقوب السوداء

اكتشافهم يحل لغز وصفه في الأصلعالم الفيزياء والحائز على جائزة نوبل جون باردين وعالم الفيزياء الفلكية جاكوب بيترسون في عام 1975. في ذلك الوقت ، قال العلماء إن الجزء الدوار من الثقب الأسود يجب أن يجبر المنطقة الداخلية لقرص التزايد المائل على وضع نفسه في المستوى الاستوائي للثقب الأسود.

هذا الاكتشاف يكشف اللغز في الأصلوصفه الفيزيائي والحائز على جائزة نوبل جون باردين وعالم الفيزياء الفلكية جاكوب بيترسون في عام 1975. عندها ذكر باردين وبيترسون أن الجزء الدوار من الثقب الأسود يجب أن يجبر المنطقة الداخلية لقرص التزايد المائل على وضع نفسه في المستوى الاستوائي للثقب الأسود.

بعد عقود من البحث عن دليل على التأثيرمكنت نماذج باردين بيترسون الجديدة من قبل فريق دولي من الباحثين من تحديد أنه على الرغم من أن المنطقة الخارجية لقرص التزايد لا تزال مائلة ، فإن منطقتها الداخلية تتكيف مع المستوى الاستوائي للثقب الأسود. لقد توصل فريق العلماء إلى هذا من خلال تقليل سمك قرص التزايد إلى درجة غير مسبوقة ومراعاة الاضطرابات المغناطيسية المسؤولة عن تراكم القرص. كانت النماذج السابقة التي تتناول هذه المسألة أكثر بساطة وأخذت في الاعتبار الآثار التقريبية للاضطرابات.

هذا اكتشاف مذهل لتأثير باردين بيترسونويعلق ألكساندر تشيكوفسكي من جامعة نورث وسترن ، أحد المشاركين في الدراسة قائلاً: "يحل مشكلة ما زالت تلاحق علماء الفيزياء الفلكية لأكثر من أربعة عقود".

"هذه التفاصيل قريبة من الأسودقد تبدو الثقوب ضئيلة ، ولكن لها تأثير عميق على ما يحدث داخل المجرة. تتحكم هذه الآثار في مدى سرعة دوران الثقب الأسود ، وبالتالي ، ما تأثيره على المجرة بأكملها. "

"هذه المحاكاة لا تحل فقط البالغ من العمر 40 عامايثبت اللغز ، ولكن أيضًا ، خلافًا للرأي العام ، أنه من الممكن محاكاة أقراص التراكم اللامعة مع مراعاة النظرية العامة للنسبية. وبالتالي ، لقد مهدنا الطريق للجيل القادم من عمليات المحاكاة التي ستمكننا من حل المشكلات الأكثر أهمية مع أقراص التراكم الساطع "، يضيف مؤلف الدراسة ماثيو ليسكا من جامعة أمستردام.

لماذا نحتاج نماذج الثقب الأسود؟

ويستند تقريبا كل من معرفتنا الثقوب السوداءدراسة أقراص تراكمها. بدون هذه الحلقات الغازية الساطعة والغبار وغيرها من بقايا النجوم الميتة التي تدور حول الثقوب السوداء ، لن يتمكن علماء الفلك من رؤية الثقوب السوداء لدراستها. بالإضافة إلى ذلك ، تتحكم أقراص التراكم في نمو وسرعة دوران الثقوب السوداء ، لذلك فإن فهم طبيعتها أمر حاسم لفهم كيفية تطور الثقوب السوداء وعملها.

من أيام باردين وبيترسون إلى يومنا هذاكانت المحاكاة بسيطة للغاية لتأكيد محاذاة الجزء الداخلي من القرص. في مجال الحوسبة ، واجه علماء الفلك اثنين من القيود. أولاً ، اتضح أن أقراص التراكم تقترب من الفتحة بحيث تتحرك في وقت فراغ منحني ، والذي يقع في ثقب أسود بسرعة كبيرة. بالإضافة إلى ذلك ، تتسبب قوة الدوران في الثقب الأسود في تدوير الزمكان بعده. يتطلب النظر الصحيح لكلا هذين المؤثرين الرئيسيين نظرية النسبية العامة لآينشتاين ، والتي تتنبأ كيف تؤثر الأجسام على هندسة الزمان والمكان المحيطين بها.

ثانيا ، تحت تصرف العلماء لم يكنهناك ما يكفي من القوة الحسابية لحساب الاضطرابات المغناطيسية أو الاضطرابات داخل قرص التراكم. هذه الاضطرابات تسمح لجزيئات القرص بالالتصاق ببعضها البعض والحفاظ على شكل دائري ، مما يسمح في النهاية لغمس القرص بالغرق في ثقب أسود.

تخيل أن لديك هذا القرص الرفيع. مهمتك هي فصل التدفقات المضطربة داخل القرص. يقول تشيكوفسكي إنه تحدٍ حقًا.

وبدون إمكانية الفصل بين هذه الأجزاء ، لم يستطع علماء الفيزياء الفلكية نموذجًا للثقوب السوداء الواقعية.

محاكاة الثقب الأسود

لتطوير رمز الكمبيوتر قادرلتصميم أقراص التزايد المائلة حول الثقوب السوداء ، استخدم Liska و Chekovsky الرسومات (GPU) بدلاً من وحدات المعالجة المركزية (CPU). فعال للغاية في إنشاء رسومات الكمبيوتر ومعالجة الصور ، تسرع معالجات الرسومات إنشاء الصور على الشاشة. بالمقارنة مع وحدات المعالجة المركزية (CPU) ، فهي أكثر فاعلية في خوارزميات الحوسبة التي تعالج كميات هائلة من البيانات.

يقارن Chekovsky GPU بـ 1000 حصان ، ووحدة CPU مع Ferrari بمحرك 1000 حصان.

تخيل أنك تنتقل إلى شقة جديدة. سوف تضطر إلى السفر عدة مرات من شقتك إلى فيراري ، لأنها لا تناسب الكثير من الأمتعة. ولكن إذا كنت تستطيع وضع صندوق واحد على كل من ألف حصان ، فربما تكون قد نقلت كل الأشياء في وقت واحد. هذه هي قوة GPU. ويوضح تشيكوفسكي أنه يحتوي على العديد من المكونات ، كل منها أبطأ بشكل فردي من وحدة المعالجة المركزية ، ولكن هناك الكثير منها.

بالإضافة إلى ذلك ، يضيف ليسكا لقياساتهاستخدموا طريقة الطحن التكيفي للشبكة الحاسوبية ، والتي تستخدم شبكة ديناميكية تتغير وتتكيف مع تدفق الحركة خلال المحاكاة. تتيح لك هذه الطريقة توفير موارد الطاقة والكمبيوتر ، مع التركيز فقط على كتل معينة من الشبكة ، حيث توجد في الواقع حركات التدفقات.

ويشير الباحثون إلى أن استخداموحدات معالجة الرسومات المسموح بها لتسريع المحاكاة ، واستخدام شبكة التكيف - لزيادة دقة هذه المحاكاة. في النهاية ، كان العلماء قادرين على إنشاء نماذج من الأقراص التراكم رقيقة جدا مع نسبة الارتفاع إلى دائرة نصف قطرها 0.03. وتمكّن الباحثون ، على غرار هذا القرص الرفيع ، من رؤية معادلة مستوى قرص التزايد بالقرب من الثقب الأسود.

يقول تشيكوفسكي: "كان أنحف الأقراص النمذجة يبلغ ارتفاعها نصف قطرها حوالي 0.05 ، واتضح أن الأمور المثيرة للاهتمام تحدث فقط عند 0.03".

يلاحظ علماء الفلك أنه حتى مع وجود هذه الأقراص الرقيقة ، لا تزال الثقوب السوداء تنبعث منها نفاثات قوية من الجزيئات والإشعاع.

</ p>

"لا أحد يتوقع أن يرى مثل هذه الأقراص الرقيقةقادرة على رمي الطائرات. يتوقع الجميع أن الحقول المغناطيسية التي تخلق هذه الجداول سوف تمزق هذه الأقراص الرقيقة ، ومع ذلك فهي لا تزال موجودة ، وبفضل ذلك يمكننا حل هذه الألغاز الرصدية.

يمكنك مناقشة المقال في Telegram-chat.