Τι πραγματικά συμβαίνει γύρω από μια μαύρη τρύπα; Η πιο ακριβής προσομοίωση στην ιστορία δίνει την απάντηση

Εδώ και δεκαετίες οι αστροφυσικοί προσπαθούν να αποκρυπτογραφήσουν ένα από τα πιο βίαια και μυστηριώδη φαινόμενα του Σύμπαντος: τη διαδικασία με την οποία οι μαύρες τρύπες καταβροχθίζουν την ύλη που τις περιβάλλει. Μέχρι σήμερα, τα μοντέλα που χρησιμοποιούσαμε έμοιαζαν με θολές φωτογραφίες, βασισμένα σε αναγκαίες απλοποιήσεις για να γίνουν οι υπολογισμοί διαχειρίσιμοι. Αυτό πλέον αλλάζει.

Μια πρωτοποριακή μελέτη που δημοσιεύθηκε στο The Astrophysical Journal φέρνει στο φως την πιο λεπτομερή και ολοκληρωμένη προσομοίωση που έχει δημιουργηθεί ποτέ 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 την πραγματική συμπεριφορά του φωτός και της ύλης, χωρίς τις συνήθεις εκπτώσεις στην ακρίβεια.

Σπάζοντας το φράγμα των υπολογισμών

Το πρόβλημα με την προσομοίωση μιας μαύρης τρύπας δεν είναι η έλλειψη θεωρίας, αλλά η πολυπλοκότητα των εξισώσεων. Η βαρύτητα σε αυτά τα περιβάλλοντα είναι τόσο ακραία που καμπλώνει τον χώρο και τον χρόνο, ενώ ταυτόχρονα τεράστιες ποσότητες ενέργειας απελευθερώνονται ως ακτινοβολία. Μέχρι πρότινος, οι επιστήμονες αναγκάζονταν να αντιμετωπίζουν την ακτινοβολία σαν ένα είδος «ρευστού» για να μην καταρρεύσουν τα υπολογιστικά τους συστήματα. Αυτή η προσέγγιση, αν και χρήσιμη, δεν μπορούσε να αποδώσει την πλήρη εικόνα.

Η ομάδα του Δρ. Lizhong Zhang, επικεφαλής της μελέτης, ανέπτυξε έναν νέο αλγόριθμο που λύνει αυτές τις εξισώσεις απευθείας. «Είναι η πρώτη φορά που βλέπουμε τι συμβαίνει όταν συμπεριλαμβάνονται με ακρίβεια οι σημαντικότερες φυσικές διεργασίες», δηλώνει ο Zhang. «Αυτά τα συστήματα είναι εξαιρετικά μη γραμμικά – οποιαδήποτε απλοποίηση μπορεί να αλλάξει εντελώς το αποτέλεσμα».

Η δύναμη των Exascale υπερυπολογιστών

Για να τρέξει αυτό το νέο μοντέλο, δεν αρκούσε ένας συμβατικός υπολογιστής. Οι ερευνητές επιστράτευσαν δύο από τα ισχυρότερα υπερυπολογιστικά συστήματα στον πλανήτη: τον Frontier στο Εθνικό Εργαστήριο Oak Ridge και τον Aurora στο Εθνικό Εργαστήριο Argonne.

Πρόκειται για μηχανές κλάσης exascale, ικανές να εκτελούν πεντάκις εκατομμύρια υπολογισμούς το δευτερόλεπτο. Αυτή η ασύλληπτη επεξεργαστική ισχύς επέτρεψε στην ομάδα να «παρατηρήσει» τα φαινόμενα όχι μέσα από ένα τηλεσκόπιο, αλλά μέσα από τα κυκλώματα του υπολογιστή, με μια ρεαλιστική απεικόνιση που προηγουμένως φάνταζε αδύνατη.

Χάος, άνεμοι και πίδακες ύλης

Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης είναι εντυπωσιακά και επιβεβαιώνουν τις υποψίες 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 εξελίσσονται σε βάθος αιώνων, αυτές οι μικρότερες «μηχανές» αλλάζουν συμπεριφορά μέσα σε λεπτά ή ώρες, προσφέροντας ένα ιδανικό πεδίο παρατήρησης.

Οι προσομοιώσεις αποκάλυψαν πως η ύλη δεν πέφτει απλώς μέσα στη μαύρη τρύπα. Αντίθετα, σχηματίζει χαοτικούς, τυρβώδεις δίσκους που κυριαρχούνται από έντονη ακτινοβολία. Παράλληλα, παρατηρήθηκαν ισχυροί άνεμοι να πνέουν προς τα έξω, ενώ σε ορισμένες περιπτώσεις σχηματίστηκαν πίδακες (jets) που εκτοξεύουν ύλη με τεράστια ταχύτητα.

Το πιο σημαντικό στοιχείο, ωστόσο, είναι η συμφωνία με την πραγματικότητα. Τα φάσματα φωτός που παρήγαγε η προσομοίωση ταυτίζονται σχεδόν απόλυτα με αυτά που καταγράφουν οι αστρονόμοι από πραγματικά συστήματα, όπως οι πηγές ακτίνων Χ στον ουρανό. Αυτό σημαίνει ότι το μοντέλο δεν είναι απλώς μια θεωρητική κατασκευή, αλλά ένας αξιόπιστος καθρέφτης της φύσης.

Το μέλλον της αστροφυσικής έρευνας

Η επιτυχία αυτής της μελέτης ανοίγει τον δρόμο για την κατανόηση ακόμα πιο περίπλοκων συστημάτων. Η ομάδα σχεδιάζει ήδη να εφαρμόσει τη μεθοδολογία της στις υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες που βρίσκονται στα κέντρα των γαλαξιών, οι οποίες παίζουν καθοριστικό ρόλο στον σχηματισμό και την εξέλιξη του Σύμπαντος.

Όπως επισημαίνει ο καθηγητής James Stone από το Institute for Advanced Study, το εγχείρημα αυτό είναι μοναδικό όχι μόνο για την τεχνολογική του αρτιότητα, αλλά και για τον χρόνο που αφιερώθηκε στην ανάπτυξη του λογισμικού.