طوّر الباحثون أكثر المحاكاة تفصيلاً حتى الآن لكيفية اكتناز المادة حول الثقوب السوداء، مع دمج النسبية العامة الكاملة وتأثيرات الإشعاع. بقيادة ليجونغ جانغ من معهد الدراسات المتقدمة ومعهد فلاتيرون، يتوافق الدراسة مع الملاحظات الفلكية الحقيقية. نُشر في The Astrophysical Journal، ويركز على الثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية ويستخدم حواسيب فائقة قوية.
لقد حقق علماء الفيزياء الفلكية الحاسوبية تقدمًا كبيرًا في نمذجة اكتناز الثقوب السوداء، وهو العملية التي يجذب بها هذه الأجسام الكونية المادة المحيطة ويطلق إشعاعًا شديد الشدة. يقدم الدراسة الجديدة، المنشورة في The Astrophysical Journal، إطارًا حاسوبيًا يحسب تدفقات المادة إلى الثقوب السوداء دون افتراضات مبسطة، مع مراعاة كاملة لنسبية أينشتاين العامة وظروف الإشعاع المهيمنة.
بقيادة ليجونغ جانغ، باحث ما بعد الدكتوراه المشترك في مدرسة العلوم الطبيعية بمعهد الدراسات المتقدمة ومركز الفيزياء الفلكية الحاسوبية في معهد فلاتيرون، بدأت البحث خلال السنة الأولى لجانغ في المعهد في 2023-24 واستمر في فلاتيرون. «هذه هي المرة الأولى التي نتمكن فيها من رؤية ما يحدث عند تضمين العمليات الفيزيائية الأكثر أهمية في اكتناز الثقوب السوداء بدقة»، قال جانغ. «هذه الأنظمة شديدة اللاعدالية – أي افتراض مبسط يمكن أن يغير النتيجة تمامًا. الأمر الأكثر إثارة هو أن محاكاتنا الآن تُعيد إنتاج سلوكيات متسقة بشكل ملحوظ عبر أنظمة الثقوب السوداء المرئية في السماء، من مصادر الأشعة السينية فائقة اللمعان إلى الثنائيات السينية».
تركز النماذج على الثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية، التي تبلغ كتلتها حوالي 10 أضعاف كتلة الشمس. على عكس الثقوب السوداء فائقة الكتلة، تتطور هذه الأجسام الأصغر بسرعة على مدى دقائق إلى ساعات، مما يسمح بملاحظات في الوقت الفعلي من خلال تحليل طيفي للضوء المنبعث. تصور المحاكاة المادة تدور إلى الداخل لتشكيل أقراص مضطربة متوهجة، بالإضافة إلى رياح تتدفق إلى الخارج وتيارات نفاثة عرضية.
لتحقيق ذلك، حصل الفريق على الوصول إلى حواسيب فائقة من فئة الإكسااسكال مثل Frontier في Oak Ridge National Laboratory وAurora في Argonne National Laboratory. شملت المساهمات الرئيسية خوارزميات نقل الإشعاع التي طورها كريستوفر وايت من فلاتيرون وجامعة برينستون، ودمجها في كود AthenaK بواسطة باتريك مولن، الذي كان سابقًا في المعهد والآن في Los Alamos National Laboratory.
أبرز الشريك المؤلف جيمس ستون، أستاذ في المعهد، متطلبات المشروع: «ما يجعل هذا المشروع فريدًا هو، من ناحية، الوقت والجهد اللذين استغرقتهما تطوير الرياضيات التطبيقية والبرمجيات القادرة على نمذجة هذه الأنظمة المعقدة، ومن ناحية أخرى، الحصول على تخصيص كبير جدًا على أكبر الحواسيب الفائقة في العالم لإجراء هذه الحسابات. الآن المهمة هي فهم كل العلم الذي يخرج منها».
هذه الورقة الأولى في سلسلة ترسم الطريق لتطبيق الإطار على أنواع متنوعة من الثقوب السوداء، مما قد يسلط الضوء على الفائقة الكتلة التي تؤثر على تشكل المجرات. تتوافق الطيف المتحاكى ارتباطًا وثيقًا مع البيانات الفلكية، مما يعزز تفسيرات هذه الأجسام الغامضة.