معرفی مدل شبیه‌سازی جدید و واقع‌گرایانه از روند انقباض سیاه‌چاله‌ها

این پژوهش بدون استفاده از ساده‌سازی‌هایی که در تحقیقات پیشین مورد استفاده قرار می‌گرفت، انجام شده است.
 
لیژونگ ژانگ، نویسنده اصلی این مطالعه، می‌گوید: «این سیستم‌ها به‌طور بسیار غیرخطی هستند و هرگونه فرض ساده‌سازی می‌تواند نتایج را به‌شدت تغییر دهد».
 
وی می‌افزاید: «جالب‌ترین نکته این است که شبیه‌سازی‌های ما حالا رفتارهایی را که در سیاه‌چاله‌ها مشاهده می‌شود، به‌طور شگفت‌انگیزی بازتولید می‌کند، از منابع پرنور پرتو ایکس گرفته تا دوتایی‌های اشعه ایکس. به نوعی ما این سیستم‌ها را نه از طریق تلسکوپ، بلکه از طریق یک کامپیوتر “مشاهده” کرده‌ایم.»
 
گفتنی است شبیه‌سازی‌های جدید با استفاده از الگوریتم‌های پیشرفته، نحوه رفتار ماده در حال جذب به سیاه‌چاله‌های با جرم ستاره‌ای را به‌طور دقیق شبیه‌سازی می‌کنند.

این سیاه‌چاله‌ها که تقریباً ۱۰ برابر جرم خورشید را دارند، در مقایسه با سیاه‌چاله‌های فوق‌عظیم که در مرکز کهکشان‌ها قرار دارند، جرم نسبتاً کمتری دارند و بنابراین مطالعه آنها به‌ویژه در مقیاس زمانی کوتاه‌تر (چند دقیقه تا چند ساعت) برای پژوهشگران جالب‌تر است.
 
در گذشته، مدل‌های شبیه‌سازی سیاه‌چاله‌ها به دلیل پیچیدگی‌های ریاضی، مجبور بودند از برخی ساده‌سازی‌ها استفاده کنند، اما اکنون تیم پژوهشگر توانسته‌اند الگوریتم‌هایی توسعه دهند که به‌طور مستقیم به حل معادلات پیچیده بدون استفاده از تقریب‌های نادرست بپردازند.
 
ژانگ توضیح می‌دهد: «روش‌های قبلی از تقریب‌هایی استفاده می‌کردند که تابش را به‌عنوان یک مایع در نظر می‌گرفتند، در حالی که این رفتار واقعی تابش را نشان نمی‌دهد.»
 
این پیشرفت در شبیه‌سازی‌های سیاه‌چاله‌ها می‌تواند تأثیر بزرگی در فهم ما از نحوه تعامل تابش با ماده در نزدیکی سیاه‌چاله‌ها داشته باشد.
 
با این که سیاه‌چاله‌های فوق‌عظیم را می‌توان از طریق تصاویر با وضوح بالا مشاهده کرد، سیاه‌چاله‌های با جرم ستاره‌ای به‌سختی قابل مشاهده هستند و تنها به‌صورت نقاط کوچکی از نور در تصاویر ظاهر می‌شوند.
 
به همین دلیل، پژوهشگران باید این نورها را به طیف تبدیل کنند تا بتوانند توزیع انرژی اطراف سیاه‌چاله را بررسی کنند.
 
یکی دیگر از دستاوردهای مهم این شبیه‌سازی‌ها، تطابق دقیق مدل‌ها با داده‌های مشاهده‌ای است. این تطابق به پژوهشگران این امکان را می‌دهد که با اعتماد بیشتر به تفسیر داده‌های محدود در دسترس برای این اجرام دوردست بپردازند.
 
در این مدل، ماده به‌طور پیچیده‌ای به‌صورت دیسک‌های پرآشوب و تابشی در اطراف سیاه‌چاله‌ها می‌چرخد و گاهی اوقات نیز جریان‌های قدرتمند پرتاب می‌شوند.
 
این شبیه‌سازی‌ها از ابرکامپیوترهای نسل جدید به‌نام «فرانتیر» و «آرورا»، که قادر به انجام یک کوئینتیلیون عملیات در ثانیه هستند، استفاده کرده است.
 
پژوهشگران با استفاده از این منابع عظیم محاسباتی و الگوریتم‌های پیشرفته، اکنون به مرحله‌ای رسیده‌اند که می‌توانند شبیه‌سازی‌های دقیق‌تری از تعامل تابش با ماده در سیاه‌چاله‌ها انجام دهند.
 
گفته می‌شود که این مدل‌ها می‌توانند به درک بهتر از سیاه‌چاله‌های فوق‌عظیم و نقش آن‌ها در تکامل کهکشان‌ها کمک کنند.
 
البته این گروه پژوهشی قصد دارد در آینده شبیه‌سازی‌های خود را برای انواع مختلف سیاه‌چاله‌ها گسترش دهد.

با توجه به پیچیدگی‌های تعامل تابش و ماده در دماها و چگالی‌های مختلف، تیم پژوهشگر امیدوار است که مدل‌های جدید به درک بهتر فرآیندهای فیزیکی در تمامی سیستم‌های سیاه‌چاله‌ای کمک کند.
 
در این راستا، جیمز استون، استاد مؤسسه مطالعات پیشرفته، اشاره می‌کند: «آنچه این پروژه را منحصر به فرد می‌کند، از یک سو زمان و تلاشی است که برای توسعه ریاضیات کاربردی و نرم‌افزارهای قادر به مدل‌سازی این سیستم‌های پیچیده صرف شده و از سوی دیگر، تخصیص ابرکامپیوترهای پیشرفته برای انجام این محاسبات است.»