Για δεκαετίες, οι αστροφυσικοί προσπαθούν να αποκωδικοποιήσουν ένα από τα πιο βίαια και μυστηριώδη φαινόμενα του Σύμπαντος: τη διαδικασία μέσω της οποίας οι μαύρες τρύπες καταβροχθίζουν την ύλη γύρω τους. Μέχρι σήμερα, τα μοντέλα που χρησιμοποιήθηκαν παρουσίαζαν περιορισμούς και έμοιαζαν περισσότερο με θολές εικόνες, καθώς βασίζονταν σε αναγκαίες απλοποιήσεις για να καθιστούν εφικτούς τους υπολογισμούς. Ωστόσο, αυτό αλλάζει ριζικά.
Μια πρωτοποριακή έρευνα που δημοσιεύθηκε στο The Astrophysical Journal αποκαλύπτει την πιο λεπτομερή και αναλυτική προσομοίωση που έχει δημιουργηθεί μέχρι σήμερα για τη φωτεινή προσαύξηση στις μαύρες τρύπες. Ερευνητές από το Institute for Advanced Study και το Κέντρο Υπολογιστικής Αστροφυσικής του Ινστιτούτου Flatiron κατάφεραν να συνδυάσουν τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας του Αϊνστάιν με τη συμπεριφορά του φωτός και της ύλης, αποφεύγοντας τις συνήθεις παραχωρήσεις στην ακρίβεια.
Σπάζοντας τα όρια της τεχνολογίας
Η πρόκληση της προσομοίωσης μιας μαύρης τρύπας δεν έγκειται στην έλλειψη θεωρητικών βάσεων, αλλά στην πολυπλοκότητα των εξισώσεων. Η βαρύτητα σε αυτά τα ακραία περιβάλλοντα καμπυλώνει τον χώρο και τον χρόνο, ενώ ταυτόχρονα απελευθερώνει τεράστιες ποσότητες ενέργειας υπό μορφή ακτινοβολίας. Στο παρελθόν, οι επιστήμονες αναγκάζονταν να μεταχειρίζονται την ακτινοβολία ως «ρευστό» για να μπορέσουν να χειριστούν τους υπολογισμούς τους. Αυτή η προσέγγιση, αν και πρακτική, δεν παρείχε την πλήρη εικόνα του φαινομένου.
Ο Δρ. Lizhong Zhang, επικεφαλής της μελέτης, ανέπτυξε έναν καινοτόμο αλγόριθμο που επιλύει τις εξισώσεις απευθείας, αναφέροντας χαρακτηριστικά: «Αυτή είναι η πρώτη φορά που παρατηρούμε με ακρίβεια τις κρίσιμες φυσικές διεργασίες». Παράλληλα, υπογράμμισε τη σημασία της μη γραμμικότητας αυτών των συστημάτων: «Οποιαδήποτε απλοποίηση μπορεί να αλλοιώσει δραστικά τα αποτελέσματα».
Η επανάσταση των Exascale υπερυπολογιστών
Για να τρέξει το νέο μοντέλο απαιτούνταν τεράστια υπολογιστική δύναμη. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν δύο από τους πιο ισχυρούς υπολογιστές στον πλανήτη: τον Frontier στο Εθνικό Εργαστήριο Oak Ridge και τον Aurora στο Εθνικό Εργαστήριο Argonne.
Αυτές οι μηχανές κλάσης exascale είναι ικανές να εκτελούν πεντάκις εκατομμύρια υπολογισμούς το δευτερόλεπτο. Αυτή η ασύλληπτη υπολογιστική ικανότητα επέτρεψε στην ομάδα να «παρατηρήσει» τα φαινόμενα, όχι μέσω ενός τηλεσκοπίου, αλλά μέσα από τα κυκλώματα του υπολογιστή, με μια ρεαλιστική αναπαράσταση που προηγουμένως φάνταζε αδιανόητη.
Χάος, άνεμοι και πίδακες ύλης
Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης είναι πραγματικά εμβληματικά και επιβεβαιώνουν τις θεωρίες των αστρονόμων. Το μοντέλο εστίασε σε μαύρες τρύπες αστρικής μάζας (περίπου 10 φορές τη μάζα του Ήλιου). Σε αντίθεση με τις υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες που αναπτύσσονται σε αιώνες, οι μικρότερες αυτές «μηχανές» αλλάζουν συμπεριφορά σε λίγες στιγμές ή ώρες, καθιστώντας τες ιδανικά πεδία παρατήρησης.
Οι προσομοιώσεις αποκάλυψαν ότι η ύλη δεν απλώς πέφτει μέσα στη μαύρη τρύπα. Αντίθετα, σχηματίζει ασταθείς, τυρβώδεις δίσκους με κυρίαρχη την αναθυμίαση της ακτινοβολίας. Παράλληλα, παρατηρήθηκαν ισχυροί άνεμοι που κινούνται προς τα έξω, ενώ σε ορισμένες περιπτώσεις σχηματίστηκαν πίδακες (jets) που εκτοξεύουν ύλη με ασύλληπτη ταχύτητα.
Το σημαντικότερο όμως είναι η συμφωνία της προσομοίωσης με πραγματικά παρατηρούμενα φάσματα φωτός. Αυτά που παρήγαγε το μοντέλο ταυτίζονται σχεδόν απόλυτα με τα δεδομένα που συλλέγουν οι αστρονόμοι από πραγματικούς διαστημικούς σχηματισμούς, όπως οι πηγές ακτίνων Χ στον νυχτερινό ουρανό. Αυτή η διαπίστωση καθιστά το μοντέλο ένα αξιόπιστο εργαλείο κατανόησης της φύσης.
Το μέλλον της αστροφυσικής έρευνας
Η επιτυχία αυτής της μελέτης ανοίγει νέες προοπτικές για την κατανόηση ακόμη πιο περίπλοκων αστροφυσικών συστημάτων. Η ερευνητική ομάδα σχεδιάζει ήδη να επεκτείνει τη μεθοδολογία της στις υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες που βρίσκονται στα κέντρα γαλαξιών, οι οποίες παίζουν καθοριστικό ρόλο στον σχηματισμό και την εξέλιξη του Σύμπαντος.
Όπως τονίζει ο καθηγητής James Stone από το Institute for Advanced Study, αυτή η πρωτοβουλία είναι καθοριστική όχι μόνο λόγω της τεχνολογικής της καινοτομίας, αλλά και λόγω του χρόνου και της αφοσίωσης που απαιτήθηκε για την ανάπτυξη του λογισμικού.
