ابررایانه‌ها به دانشمندان قدرت فوق‌العاده برای فهم دینامیک دیسک‌های سیاه‌چاله می‌دهند

در مرکز تقریباً هر کهکشانی یک جسم سماوی مرموز قرار دارد: سیاه‌چاله. این غول‌های کیهانی به قدری چگال هستند که حتی نور نیز قادر به فرار از کشش گرانشی آن‌ها نیست.

اما در حالی که آن‌ها غیرقابل نفوذ به نظر می‌رسند، اثرات آن‌ها از طریق دیسک‌های چرخان گاز که آن‌ها را احاطه کرده‌اند، قابل مشاهده است.

تیمی از محققان از دانشگاه‌های توهوکو و اوتسونومیا یک مطالعه عمیق برای درک توربولانس پیچیده در این دیسک‌های تجمعی انجام داده‌اند.

با استفاده از ابررایانه‌های قدرتمند، آن‌ها بالاترین وضوح شبیه‌سازی‌های تا کنون از این ساختارهای کیهانی را انجام داده‌اند.

یوهی کاوازورا گفت: «شبیه‌سازی دقیق رفتار دیسک‌های تجمعی به طور قابل توجهی درک ما از پدیده‌های فیزیکی اطراف سیاه‌چاله‌ها را پیشرفت می‌دهد. این کار بینش‌های مهمی برای تفسیر داده‌های مشاهده‌ای از تلسکوپ افق رویداد فراهم می‌کند.»

استفاده از ابررایانه ها

سیاه‌چاله‌ها توسط تلسکوپ‌های زمینی یا فضایی قابل تشخیص مستقیم نیستند. اما دیسک‌های گاز، پلاسما و گرد و غباری که به دور آن‌ها می‌چرخند، تابش الکترومغناطیسی قابل تشخیص ایجاد می‌کنند که به اخترشناسان امکان می‌دهد حضور سیاه‌چاله‌ها را استنباط کنند.

این فرآیند توربولانس شدید ایجاد می‌کند که یک پدیده چالشی برای مطالعه بوده است. شبیه‌سازی‌های قبلی به دلیل محدودیت‌های قدرت پردازش محاسباتی محدود بودند، اما این تحقیق جدید مرزهای جدیدی را شکسته است.

محققان از قدرت محاسباتی ابررایانه‌هایی مانند «فوگاکو» ریکن و «آترواوی دو» NAOJ بهره برده‌اند. جالب است که فوگاکو تا سال ۲۰۲۲ عنوان سریع‌ترین رایانه جهان را داشت.

این دو رایانه به محققان امکان دادند تا شبیه‌سازی‌هایی با وضوح بی‌سابقه انجام دهند.

به لطف قدرت ترکیب شده، محققان توانستند برای اولین بار «محدوده اینرسی اتصال کننده ادوار بزرگ و کوچک در توربولانس دیسک تجمعی» را بازسازی کنند.

محدوده اینرسی در توربولانس دیسک تجمعی به محدوده خاصی از مقیاس‌ها یا اندازه‌های ادوار، یا الگوهای چرخشی، اشاره دارد که در جریان توربولانس دیسک وجود دارد. علاوه بر این، دیسک‌های تجمعی برای ایجاد ویسکوزیته به توربولانس متکی هستند، خاصیتی که به مواد اجازه می‌دهد جریان پیدا کرده و به سوی سیاه‌چاله مرکزی حرکت کنند.

بینش‌ها به توربولانس در دیسک‌های تجمعی

علاوه بر این، شبیه‌سازی‌ها نشان دادند که «امواج مغناطیسی-صوتی کند» بر محدوده اینرسی توربولانس در دیسک‌های تجمعی غالب هستند. این موج از طریق یک پلاسما مغناطیسی منتشر می‌شود.

این یافته نشان می‌دهد که این امواج اکثریت انرژی را در این محدوده خاص مقیاس‌ها حمل می‌کنند.

بیانیه مطبوعاتی توضیح داده است: «این یافته توضیح می‌دهد چرا یون‌ها به طور انتخابی در دیسک‌های تجمعی گرم می‌شوند. میدان‌های الکترومغناطیسی توربولانس در دیسک‌های تجمعی با ذرات باردار تعامل داشته و ممکن است برخی از آن‌ها را به انرژی‌های بسیار بالا شتاب دهند.»

جالب است که تیم خاطرنشان کرد که این امواج کند «حدود دو برابر انرژی امواج آلفون را حمل می‌کنند.»

امواج آلفون نوعی موج هستند که در یک پلاسما به دلیل تعامل بین میدان مغناطیسی و جریان‌های الکتریکی درون آن بوجود می‌آیند. طبق بیانیه مطبوعاتی، امواج آلفون بیشتر در توربولانس باد خورشیدی غالب هستند.

محققان تاکید می‌کنند که این مطالعه اهمیت قابل توجهی برای درک ما از سیاه‌چاله‌ها و محیط‌های آن‌ها دارد. این به آن‌ها کمک می‌کند تا داده‌های تلسکوپ‌هایی مانند تلسکوپ افق رویداد که تصاویر سیاه‌چاله‌ها را ضبط کرده است، تفسیر کنند.

آن‌ها در بیانیه مطبوعاتی اشاره کردند: «این پیشرفت انتظار می‌رود تفسیر فیزیکی داده‌های مشاهده‌ای از تلسکوپ‌های رادیویی متمرکز بر نواحی نزدیک سیاه‌چاله‌ها را بهبود بخشد.»

دفعه اخیر، همکاری تلسکوپ افق رویداد به تازگی بالاترین وضوح مشاهده‌ای از سیاه‌چاله که تاکنون از زمین به دست آمده است را اعلام کرد. با این دستاورد، EHT قصد دارد در آینده تصاویر سیاه‌چاله‌های ۵۰ درصد شفاف‌تر را تهیه کند.

این یافته‌ها در ژورنال Science Advances. منتشر شده است.