طور علماء الفيزياء الفلكية أول محاكاة ثلاثية الأبعاد للتطور الكامل لطائرة نفاثة منذ ولادتها بواسطة ثقب أسود دوار حتى انبعاثها بعيدًا عن النجم المنهار.
تظهر المحاكاة أنه مع انهيار النجم، تسقط مادته على القرص الذي يدور حول الثقب الأسود. تعمل هذه المادة الساقطة على إمالة القرص، وبالتالي تميل التدفق الذي يتذبذب بينما يكافح للعودة إلى مساره الأصلي.
تشرح الطائرة المتذبذبة اللغز الطويل الأمد حول سبب وميض انفجارات أشعة جاما وتوضح أن هذه الانفجارات أكثر ندرة مما كان يُعتقد سابقًا.
نظرًا لأن هذه النفاثات تولد انفجارات أشعة جاما (GRBs) – أكثر الأحداث نشاطًا وإشراقًا في الكون منذ الانفجار العظيم – فقد سلطت المحاكاة الضوء على هذه الانفجارات الغريبة والمكثفة من الضوء. تتضمن النتائج الجديدة التي توصلوا إليها شرحًا للسؤال الطويل الأمد حول سبب تخلل اللحظات الهادئة في ظروف غامضة – وميض بين الانبعاثات القوية وسكون هادئ بشكل مخيف. تظهر المحاكاة الجديدة أيضًا أن GRBs أكثر ندرة مما كان يعتقد سابقًا.
نُشرت الدراسة الجديدة في 29 يونيو في رسائل مجلة الفيزياء الفلكية. يمثل أول محاكاة ثلاثية الأبعاد كاملة للتطور الكامل للطائرة – منذ ولادتها بالقرب من الثقب الأسود إلى انبعاثها بعد الهروب من النجم المنهار. يعد الطراز الجديد أيضًا أعلى محاكاة دقة على الإطلاق لطائرة نفاثة كبيرة الحجم.
وقال Ore Gottlieb من جامعة نورث وسترن، الذي قاد الدراسة: “هذه الطائرات هي أقوى الأحداث في الكون”. “حاولت الدراسات السابقة فهم كيفية عملها، لكن تلك الدراسات كانت محدودة بالقوة الحسابية وكان لابد من تضمين العديد من الافتراضات. تمكنا من نمذجة التطور الكامل للطائرة النفاثة منذ البداية – منذ ولادتها بواسطة ثقب أسود – دون افتراض أي شيء عن هيكل الطائرة. لقد تابعنا التدفق من الثقب الأسود على طول الطريق إلى موقع الانبعاث ووجدنا عمليات تم التغاضي عنها في الدراسات السابقة “.
غوتليب هو زميل روتشيلد في مركز نورث وسترن للاستكشاف متعدد التخصصات والبحث في الفيزياء الفلكية (CIERA). شارك في تأليف الورقة مع عضو CIERA ساشا تشيكوفسكوي، الأستاذ المساعد للفيزياء وعلم الفلك في كلية وينبرغ للفنون والعلوم في نورث وسترن.
متذبذب غريب
الظاهرة الأكثر إشراقًا في الكون، تظهر GRBs عندما ينهار نواة نجم ضخم تحت جاذبيته لتشكيل ثقب أسود. عندما يسقط الغاز في الثقب الأسود الدوار، فإنه ينشط – ويطلق طائرة في النجم المنهار. تقوم الطائرة النفاثة بضرب النجم حتى تهرب منه في النهاية، وتتسارع بسرعات تقترب من سرعة الضوء. بعد التحرر من النجم، تولد الطائرة GRB ساطعة.
قال جوتليب: “يولد النفاث انفجار GRB عندما يصل حجمه إلى حوالي 30 ضعف حجم النجم – أو مليون ضعف حجم الثقب الأسود”. “بعبارة أخرى، إذا كان الثقب الأسود بحجم كرة الشاطئ ، فإن الطائرة النفاثة تحتاج إلى التمدد على كامل مساحة فرنسا قبل أن تتمكن من إنتاج GRB.”
نظرًا لضخامة هذا المقياس، لم تتمكن عمليات المحاكاة السابقة من وضع نموذج للتطور الكامل لولادة الطائرة والرحلة اللاحقة. باستخدام الافتراضات، وجدت جميع الدراسات السابقة أن الطائرة النفاثة تنتشر على طول محور واحد ولا تنحرف أبدًا عن هذا المحور.
لكن محاكاة جوتليب أظهرت شيئًا مختلفًا تمامًا. عندما ينهار النجم في ثقب أسود، تسقط مادة من ذلك النجم على قرص الغاز الممغنط الذي يدور حول الثقب الأسود. تتسبب المادة المتساقطة في إمالة القرص، مما يؤدي بدوره إلى إمالة التدفق. بينما تكافح الطائرة لإعادة تنظيم مسارها الأصلي، تتذبذب داخل الانهيار.
يوفر هذا التذبذب تفسيرًا جديدًا لسبب وميض GRBs. خلال اللحظات الهادئة، لا تتوقف الطائرة النفاثة – تنطلق أشعة انبعاثها بعيدًا عن الأرض، لذلك لا تستطيع التلسكوبات ببساطة مراقبتها.
قال جوتليب: “إن الانبعاثات من غازات إعادة التدوير الغازية دائمًا غير منتظمة”. “نرى طفرات في الانبعاث ثم وقتًا هادئًا يستمر لبضع ثوانٍ أو أكثر. تبلغ مدة GRB بأكملها حوالي دقيقة واحدة، لذا فإن أوقات الهدوء هذه جزء لا يستهان به من إجمالي المدة. لم تكن النماذج السابقة قادر على شرح من أين أتت هذه الأوقات الهادئة. هذا التذبذب بشكل طبيعي يعطي تفسيرًا لهذه الظاهرة. نلاحظ الطائرة عندما تشير إلينا. ولكن عندما تتأرجح الطائرة لتتجه بعيدًا عنا، لا يمكننا رؤية انبعاثها. هذا هو جزء من نظرية النسبية لأينشتاين “.
نادر يصبح أكثر ندرة
توفر هذه الطائرات المتذبذبة أيضًا رؤى جديدة حول معدل وطبيعة GRBs. على الرغم من أن الدراسات السابقة قدرت أن حوالي 1 في المائة من الانهيارات تنتج GRBs ، يعتقد Gottlieb أن GRBs هي في الواقع أكثر ندرة.
إذا كانت الطائرة مجبرة على التحرك على طول محور واحد، فإنها ستغطي فقط شريحة رقيقة من السماء – مما يحد من احتمالية ملاحظتها. لكن الطبيعة المتذبذبة للطائرة تعني أن علماء الفيزياء الفلكية يمكنهم مراقبة GRBs في اتجاهات مختلفة، مما يزيد من احتمال اكتشافهم. وفقًا لحسابات Gottlieb ، يمكن ملاحظة GRBs 10 مرات أكثر مما كان يعتقد سابقًا، مما يعني أن علماء الفيزياء الفلكية يفتقدون 10 مرات أقل مما كان يعتقد سابقًا.
أوضح جوتليب: “الفكرة هي أننا نراقب ذرات GRB في السماء بمعدل معين، ونريد أن نتعرف على المعدل الحقيقي لـ GRBs في الكون”. “المعدلات المرصودة والحقيقية مختلفة لأننا لا نستطيع سوى رؤية GRBs التي تشير إلينا. وهذا يعني أننا بحاجة إلى افتراض شيء حول الزاوية التي تغطيها هذه النفاثات في السماء، من أجل استنتاج المعدل الحقيقي لـ GRBs. ذلك هو، ما هو الجزء المفقود من GRBs. يؤدي التذبذب إلى زيادة عدد GRBs القابلة للاكتشاف، وبالتالي يكون التصحيح من المعدل المرصود إلى المعدل الحقيقي أصغر. إذا فقدنا عددًا أقل من GRBs ، فسيكون هناك عدد أقل من GRBs بشكل عام في السماء. “
إذا كان هذا صحيحًا، كما يفترض جوتليب، فإن معظم الطائرات إما تفشل في إطلاقها على الإطلاق أو تنجح أبدًا في الهروب من الانهيار لإنتاج GRB. وبدلاً من ذلك، ظلوا مدفونين بالداخل.
طاقة مختلطة
كشفت عمليات المحاكاة الجديدة أيضًا أن بعض الطاقة المغناطيسية في النفاثات تتحول جزئيًا إلى طاقة حرارية. هذا يشير إلى أن الطائرة لديها تركيبة هجينة من الطاقات المغناطيسية والحرارية، والتي تنتج GRB. في خطوة كبيرة إلى الأمام في فهم الآليات التي تعمل على تشغيل GRBs ، كانت هذه هي المرة الأولى التي يستنتج فيها الباحثون التركيب النفاث لـ GRBs في وقت الانبعاث.
قال جوتليب: “تمكننا دراسة الطائرات من” رؤية “ما يحدث في أعماق النجم أثناء انهياره”. “بخلاف ذلك، من الصعب معرفة ما يحدث في نجم منهار لأن الضوء لا يمكنه الهروب من باطن النجم. ولكن يمكننا التعلم من الانبعاثات النفاثة – تاريخ الطائرة والمعلومات التي تحملها من الأنظمة التي تطلقها.”
يكمن التقدم الرئيسي للمحاكاة الجديدة جزئيًا في قوتها الحسابية. باستخدام الكود “H-AMR” على أجهزة الكمبيوتر العملاقة في منشأة أوك ريدج للحوسبة القيادية في أوك ريدج بولاية تينيسي، طور الباحثون المحاكاة الجديدة التي تستخدم وحدات معالجة رسومية (GPUs) بدلاً من وحدات المعالجة المركزية (CPUs). تعمل وحدات معالجة الرسومات، الفعالة للغاية في معالجة رسومات الكمبيوتر ومعالجة الصور، على تسريع إنشاء الصور على الشاشة.