باستخدام الخوارزميات المتطورة وأجهزة الكمبيوتر العملاقة ذات الإكساسكيل، ابتكر الباحثون المحاكاة الأكثر واقعية حتى الآن للمادة المتدفقة إلى الثقوب السوداء.

بناءً على عقود من البحث، توصلت مجموعة من علماء الفيزياء الفلكية الحاسوبية إلى إنجاز مهم: فقد ابتكروا النموذج الأكثر تفصيلاً حتى الآن لكيفية جذب الثقوب السوداء المضيئة للمادة المحيطة بها. باستخدام بعض أجهزة الكمبيوتر العملاقة الأكثر تقدمًا في العالم، قام الفريق، لأول مرة، بمحاكاة تدفق المواد إلى الثقوب السوداء في ظل النسبية العامة الكاملة وفي بيئة يهيمن عليها الإشعاع، كل ذلك دون الاعتماد على الاختصارات المبسطة التي تطلبتها الدراسات السابقة.

الدراسة التي نشرت في ال مجلة الفيزياء الفلكيةتم إجراؤه بواسطة باحثين من معهد الدراسات المتقدمة ومركز الفيزياء الفلكية الحاسوبية التابع لمعهد فلاتيرون. إنه يمثل بداية سلسلة من الأوراق المخطط لها والتي ستقدم إطارها الحسابي الجديد وتستكشف كيف يمكن تطبيقه على مجموعة من الثقب الأسود أنظمة.

التقاط فيزياء التراكم دون تقريبية

“هذه هي المرة الأولى التي تمكنا فيها من رؤية ما يحدث عندما يتم تضمين أهم العمليات الفيزيائية في تراكم الثقب الأسود بدقة. هذه الأنظمة غير خطية للغاية – أي افتراض مبالغ فيه في التبسيط يمكن أن يغير النتيجة تمامًا. الأمر الأكثر إثارة هو أن عمليات المحاكاة لدينا الآن تنتج سلوكيات متسقة بشكل ملحوظ عبر أنظمة الثقوب السوداء المرئية في السماء، من مصادر الأشعة السينية فائقة السطوع إلى ثنائيات الأشعة السينية. بمعنى ما، تمكنا من “مراقبة” هذه الأنظمة ليس من خلال التلسكوب، ولكن من خلال “جهاز كمبيوتر” ، صرح المؤلف الرئيسي للدراسة ، ليزونج تشانغ.

أطلق تشانغ، وهو زميل أبحاث ما بعد الدكتوراه في كلية العلوم الطبيعية بمعهد الدراسات المتقدمة ومركز الفيزياء الفلكية الحاسوبية التابع لمعهد فلاتيرون، المشروع خلال سنته الأولى في IAS (2023-2024)، وواصل العمل بعد انتقاله إلى فلاتيرون.

ونظرًا لأن الثقوب السوداء تمارس مثل هذه القوى الجاذبية الشديدة، فإن أي نموذج واقعي لها يجب أن يتضمن نظرية النسبية العامة لأينشتاين، والتي تشرح كيف تنحني الأجسام الضخمة جدًا وتشكل الزمكان. عندما تسقط كميات كبيرة من المواد باتجاه ثقب أسود، فمن الضروري أيضًا حساب كيفية انتقال الإشعاع (الضوء) الناتج عبر الزمكان الملتوي وتفاعله مع الغاز القريب. ومع ذلك، لم تتمكن عمليات المحاكاة السابقة من دمج كل هذه التحديات الرياضية في وقت واحد، مما ترك جوانب مهمة من الفيزياء بعيدة المنال.

التغلب على حدود النماذج السابقة

وكما يتعلم طالب الفيزياء من خلال العمل بنماذج مبسطة أو نماذج “دمية” لا تلتقط سوى مجموعة فرعية من متغيرات العالم الحقيقي، فإن الجهود السابقة لمحاكاة تدفقات الإشعاع حول الثقوب السوداء اتخذت الطرق المختصرة اللازمة لتبسيط المشكلة.

وأوضح تشانغ: “الطرق السابقة استخدمت تقديرات تقريبية تعامل الإشعاع كنوع من السوائل، وهو ما لا يعكس سلوكه الفعلي”.

كانت هذه التقديرات السابقة ضرورية لأن المعادلات الكاملة معقدة للغاية وتتطلب الكثير من العمليات الحسابية. ولكن من خلال الجمع بين الأفكار المكتسبة على مدى عقود من العمل، طور الفريق خوارزميات جديدة تحل هذه الأفكار بشكل مباشر، دون أي تقديرات تقريبية. وأضاف: “خوارزميتنا هي الخوارزمية الوحيدة الموجودة في الوقت الحالي والتي توفر حلاً من خلال معالجة الإشعاع كما هو في الواقع في النسبية العامة”.

محاكاة الثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية

تتناول ورقتهم البحثية على وجه التحديد تراكم الثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية، والتي تبلغ كتلتها حوالي 10 أضعاف كتلة الشمس، وهي خفيفة الوزن نسبيًا مقارنة بالثقب الأسود Sgr A*، وهو الثقب الأسود الهائل الموجود في مركز مجرتنا. تعتبر عمليات المحاكاة ضرورية لفهم مثل هذه الثقوب السوداء. في حين تم إنتاج صور عالية الدقة للثقوب السوداء فائقة الكتلة، لا يمكن ملاحظة تلك ذات الكتلة النجمية بنفس الطريقة، حيث تظهر فقط كنقاط ضوئية. وبدلاً من ذلك، يجب على الباحثين تحويل الضوء إلى طيف، والذي يوفر البيانات اللازمة لرسم خريطة لتوزيع الطاقة حول الثقب الأسود.

بالمقارنة مع الثقوب السوداء فائقة الكتلة، والتي تتطور على مدار سنوات أو حتى قرون، فإن الثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية تتغير على فترات زمنية بشرية تتراوح من دقائق إلى ساعات، مما يجعلها مثالية لدراسة تطور هذه الأنظمة في الوقت الفعلي.

ومن خلال عمليات المحاكاة التي أجراها، تمكن العلماء من التقاط كيفية تصرف المادة عندما تتجه نحو الثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية، وتشكل أقراصًا مضطربة يهيمن عليها الإشعاع، وتطلق رياحًا قوية، وأحيانًا تنتج نفاثات قوية. ووجد الفريق أن نموذجهم يتناسب بشكل ملحوظ مع الطيف الذي تم الحصول عليه من بيانات الرصد. يعد هذا الاتفاق بين المحاكاة والمراقبة أمرًا بالغ الأهمية، مما يسمح بتفسيرات أقوى للبيانات المحدودة المتاحة لهذه الأجسام البعيدة.

يتمتع معهد الدراسات المتقدمة بتقليد طويل الأمد في النمذجة الحاسوبية الرائدة للأنظمة المعقدة، والتي أثبتت أهميتها الحيوية لتقدم المعرفة الإنسانية. أحد الأمثلة المبكرة هو مشروع الكمبيوتر الإلكتروني للمعهد، بقيادة البروفيسور المؤسس (1933-1955) جون فون نيومان، والذي قدم نظرة ثاقبة لمجموعة متنوعة من المجالات بما في ذلك ديناميكيات الموائع، وعلوم المناخ، والفيزياء النووية. بناءً على هذا الإرث، مُنح تشانغ وفريقه البحثي إمكانية الوصول إلى اثنين من أقوى أجهزة الكمبيوتر العملاقة في العالم، فرونتير وأورورا، الموجودان في مختبر أوك ريدج الوطني ومختبر أرجون الوطني، على التوالي، لوضع نموذج لتراكم الثقب الأسود. يمكن لأجهزة الكمبيوتر “الإكساسكيل” هذه، القادرة على إجراء كوينتيليون عملية في الثانية، أن تشغل آلاف الأقدام المربعة، مما يستحضر مقياس ملء الغرفة في أجهزة الكمبيوتر الأولى.

لتحقيق إمكانات هذه الموارد الحاسوبية الهائلة، احتاج الفريق إلى رياضيات معقدة ورموز برمجية مساوية للمهمة. تم تمكين نجاح الفريق في هذا الصدد من قبل كريستوفر وايت من معهد فلاتيرون و جامعة برينستون، الذي قاد تصميم خوارزمية نقل الإشعاع، وباتريك مولين، عضو (2021-2022) في كلية العلوم الطبيعية، ومقره الآن في مختبر لوس ألاموس الوطني، الذي قاد تنفيذ الخوارزمية في كود AthenaK المُحسّن لحوسبة الإكساسكيل.

مطابقة المحاكاة مع الملاحظات

وفي المستقبل، سيعمل الفريق على تحديد ما إذا كان نموذجهم قابلاً للتطبيق على جميع أنواع الثقوب السوداء. بالإضافة إلى الثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية، فإن عمليات المحاكاة التي تجريها قد تعزز فهم الثقوب السوداء الهائلة، التي تدفع تطور المجرات. سيستمر الفريق في تطوير نهجه ليأخذ في الاعتبار الطرق المختلفة التي يتفاعل بها الإشعاع مع المادة عبر نطاق واسع من درجات الحرارة والكثافات.

“ما يجعل هذا المشروع فريدًا من نوعه هو، من ناحية، الوقت والجهد الذي استغرقه تطوير الرياضيات التطبيقية والبرمجيات القادرة على نمذجة هذه الأنظمة المعقدة، ومن ناحية أخرى، وجود تخصيص كبير جدًا لأكبر أجهزة الكمبيوتر العملاقة في العالم لإجراء هذه الحسابات”، أوضح جيمس ستون، الأستاذ في كلية العلوم الطبيعية بمعهد الدراسات المتقدمة والمؤلف المشارك للورقة البحثية. “والمهمة الآن هي فهم كل العلوم التي تخرج منه.”

المرجع: “نماذج تراكم الإشعاع GRMHD على الثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية. I. مسح نسب إدينجتون” بقلم Lizhong Zhang، وJames M. Stone، وPatrick D. Mullen، وShane W. Davis، وYan-Fei Jiang، وChristopher J. White، 3 ديسمبر 2025، مجلة الفيزياء الفلكية.
دوى: 10.3847/1538-4357/ae0f91

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.