جستجوی سیاه‌چاله‌ها با شبیه سازی ابررایانه‌ای

ستاره شناسان با کمک یک ابررایانه از ترکیبی از همگرایی‌های گرانشی و شبیه سازی‌ها برای شناسایی یک غول کیهانی با جرمی ۳۰ میلیارد برابر خورشید استفاده کردند.

گروهی از ستاره‌شناسان از روش جدیدی برای کشف یکی از بزرگترین سیاه‌چاله‌های تاکنون کشف‌شده، استفاده کرده‌اند.

این گروه به رهبری دانشمندان دانشگاه دورهام در بریتانیا از ترکیبی از همگرایی گرانشی (gravitational lensing) و شبیه‌سازی‌های ابررایانه‌ای برای به دست آوردن بینش جدیدی در مورد این غول کیهانی که در فاصله صد‌ها میلیون سال نوری از زمین قرار دارد، استفاده کردند.

آن‌ها در نهایت موفق به کشف یک ابرسیاه‌چاله شدند که بیش از ۳۰ میلیارد برابر خورشید ما جرم دارد.

در این کشف جدید، برای نخستین‌بار یک سیاه‌چاله با استفاده از روش ابررایانه‌ای کشف می‌شود. این روش جدید، صد‌ها هزار بار نور را به صورت شبیه‌سازی‌شده در جهان می‌بیند و هر کدام از این شبیه‌سازی‌ها دارای یک سیاه‌چاله با جرم متفاوت هستند که هر یک، مسیر حرکت نور به سمت زمین را تغییر می‌دهند.

این روش با یافتن تطابق صحیح در نور مشاهده‌شده با تصاویر واقعی که در این مورد توسط تلسکوپ فضایی هابل گرفته شده است، کار می‌کند.

به عبارت دیگر، زمانی که ستاره‌شناسان عبور نور از یک ابرسیاه‌چاله را شبیه‌سازی کرد، مسیر طی شده توسط نور از یک کهکشان دور با مسیر مشاهده شده در زندگی واقعی مطابقت داشت.

گفتنی است که این گروه پژوهشی برای شبیه سازی خود از امکانات ابررایانه DiRAC COSMA۸ دانشگاه دورهام استفاده کرد.

جیمز نایتینگل از گروه فیزیک دانشگاه دورهام و نویسنده ارشد این پژوهش می‌گوید: این سیاه‌چاله خاص که تقریباً ۳۰ میلیارد برابر خورشید ما جرم دارد، یکی از بزرگ‌ترین سیاه‌چاله‌هایی است که تاکنون کشف شده است و از نظر جرم در صدر چیزی قرار دارد که ما معتقدیم سیاه‌چاله‌ها از لحاظ نظری می‌توانند بزرگ شوند؛ بنابراین یک کشف بسیار هیجان‌انگیز است.

همگرایی گرانشی چیست؟

عدسی گرانشی زمانی اتفاق می‌افتد که میدان گرانشی یک کهکشان یا دیگر ساختار‌های فضایی عظیم، نوری را که از جهانِ پشتِ آن می‌آید، خم می‌کند.

خم شدن نور تا حدودی مانند یک عدسی عمل می‌کند و به ما این امکان را می‌دهد تا با نگاه کردن به نقطه‌ای که نور در آن منحنی شده است، تصویر بزرگنمایی شده‌ای از کیهان دور به دست آوریم.

این اصل در تصاویر تلسکوپ فضایی جیمز وب برای نشان دادن برخی از باستانی‌ترین کهکشان‌هایی که تاکنون مشاهده شده‌اند، استفاده شده است.

همگرایی گرانشی هنگامی روی می‌دهد که نورِ یک چشمه درخشان بسیار دور (مانند یک اختروش) در مسیرش تا رصدگر، از کنار جسم پرجرم دیگری (مانند یک خوشه کهکشانی) بگذرد و مسیرش خمیده شود. جسم میانی عدسی گرانشی نامیده می‌شود. این پدیده یکی از پیش‌بینی‌های نظریه نسبیت عام اینشتین است.

براساس نسبیت عام، جرم می‌تواند فضا-زمان را خمیده کند و در نتیجه یک میدان گرانشی بسازد که می‌تواند نور را منحرف کند. این پدیده را نخستین بار آرتور ادینگتون در سال ۱۹۱۹ در جریان یک خورشیدگرفتگی آزمود که در آن نور ستاره‌ای که از نزدیک خورشید می‌گذشت کمی خم شد و در نتیجه مکان ظاهری ستاره کمی جابه‌جا شد.

دانشمندان می‌گویند با همگرایی گرانشی می‌توان اطلاعاتی درباره جسم میانی (عدسی) از جمله جرم آن به دست آورد.

اغلب بزرگ‌ترین سیاه‌چاله‌هایی که می‌شناسیم در حالت فعال هستند، جایی که ماده نزدیک به سیاه‌چاله گرم می‌شود و انرژی را به شکل نور، پرتو ایکس و سایر تشعشعات آزاد می‌کند. با این حال، همگرایی گرانشی، مطالعه سیاه‌چاله‌های غیرفعال را نیز امکان‌پذیر می‌کند، چیزی که در حال حاضر در کهکشان‌های دور امکان‌پذیر نیست.

این رویکرد می‌تواند به ما اجازه دهد سیاه‌چاله‌های بیشتری را فراتر از جهان نزدیک خود شناسایی کنیم و نشان دهیم که چگونه این اجرام عجیب و غریب در تاریخ کیهان تکامل یافته‌اند.

این گروه که یافته‌های خود را این هفته در مقاله جدیدی در مجله Monthly Notices of the Royal Astronomical Society منتشر کردند، معتقدند که روش آن‌ها می‌تواند امکان کشف سیاهچاله‌های غیرفعال و کلان‌جرم بیشتری را فراهم کند. همچنین می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا تعیین کنند این غول‌های عظیم الجثه چگونه به این اندازه رشد کرده‌اند.