الثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية هي أجرام سماوية ولدت من انهيار نجوم كتلتها من بضعة إلى منخفضة مئات المرات من شمسنا. مجال جاذبيتهما شديداً لدرجة أنه لا يمكن لأي مادة أو إشعاع أن يفلت منها ، مما يجعل اكتشافها شديد الصعوبة.
لذلك ، عندما تم اكتشاف التموجات الصغيرة في الزمكان الناتجة عن اندماج ثقبين أسودين في عام 2015 بواسطة مرصد مقياس التداخل الليزري لموجات الجاذبية (LIGO) ، تم الترحيب بها باعتبارها لحظة فاصلة.
وفقًا لعلماء الفيزياء الفلكية ، كان الثقبان الأسودان المندمجان في أصل الإشارة حوالي 30 ضعف كتلة الشمس ويقعان على بعد 1.5 مليار سنة ضوئية.
أنبوب شعاع كاشف LIGO - صورة توضيحية. رصيد الصورة: جيف كيزر عبر فليكر، CC BY-SA 2.0
تجسير النظرية والملاحظة
ما هي الآليات التي تنتج هذه الثقوب السوداء؟ هل هي نتاج تطور نجمين ، مشابهين لشمسنا ، لكنهما أكبر بكثير ، يتطوران داخل نظام ثنائي؟ أم أنها ناتجة عن ثقوب سوداء في مجموعات نجمية مكتظة بالسكان تصطدم ببعضها بالصدفة؟ أو ربما تشارك آلية أكثر غرابة؟ كل هذه الأسئلة لا تزال محل نقاش ساخن اليوم.
حقق تعاون POSYDON ، وهو فريق من العلماء من المؤسسات بما في ذلك Northwestern وجامعة جنيف (UNIGE) وجامعة فلوريدا (UF) ، خطوات كبيرة في محاكاة مجموعات النجوم الثنائية. يساعد هذا العمل في تقديم إجابات أكثر دقة والتوفيق بين التوقعات النظرية وبيانات المراقبة.
قال سيمون بافيرا ، باحث ما بعد الدكتوراه في قسم علم الفلك بكلية العلوم UNIGE وقائدًا مؤلف الدراسة.
"نقوم بذلك عن طريق محاكاة أنظمة النجوم الثنائية من ولادتها إلى تكوين أنظمة الثقب الأسود الثنائي."
يُظهر تصور الفنان وجود ثقبين أسودين مدمجين مشابهين لتلك التي اكتشفها LIGO. الائتمان: Aurore Simonnet / LIGO-Caltech-MIT-Sonoma State
دفع حدود المحاكاة
يتطلب تفسير أصول دمج الثقوب السوداء الثنائية ، مثل تلك التي لوحظت في عام 2015 ، مقارنة تنبؤات النموذج النظري بالملاحظات الفعلية. تُعرف التقنية المستخدمة لنمذجة هذه الأنظمة باسم "تركيب المجموعات الثنائية".
قال أناستاسيوس فراجكوس ، الأستاذ المساعد في قسم علم الفلك في كلية العلوم UNIGE: "تحاكي هذه التقنية تطور عشرات الملايين من أنظمة النجوم الثنائية من أجل تقدير الخصائص الإحصائية لمجمعات مصدر موجة الجاذبية الناتجة".
وقال: "ومع ذلك ، لتحقيق ذلك في إطار زمني معقول ، اعتمد الباحثون حتى الآن على نماذج تستخدم طرقًا تقريبية لمحاكاة تطور النجوم وتفاعلاتها الثنائية". "ومن ثم ، فإن التبسيط المفرط للفيزياء النجمية الفردية والثنائية يؤدي إلى تنبؤات أقل دقة."
لقد تغلبت POSYDON على هذه القيود. تم تصميمه كبرنامج مفتوح المصدر ، وهو يستفيد من مكتبة كبيرة محسوبة مسبقًا من عمليات محاكاة النجوم الفردية والثنائية المفصلة للتنبؤ بتطور الأنظمة الثنائية المعزولة.
قد تستغرق كل من عمليات المحاكاة التفصيلية هذه ما يصل إلى 100 ساعة من وحدة المعالجة المركزية (CPU) للتشغيل على جهاز كمبيوتر عملاق ، مما يجعل تقنية المحاكاة هذه غير قابلة للتطبيق بشكل مباشر على تخليق المجموعات الثنائية.
قال جيفري أندروز ، مساعد استاذ في قسم الفيزياء في UF.
"هذه السرعة قابلة للمقارنة مع الجيل السابق من أكواد التوليف السكاني السريع ، ولكن بدقة محسنة."
تقديم نموذج جديد
بوسيدون، وهو مشروع تطوير رمز رئيسي ، يرمز إلى POبولينج SYnthesis مع Dالمحاكاة ثنائية التطورONس. كالوجيرا وتاسوس فراجوس ، دكتوراه سابقة. طالب في مجموعة Kalogera ، هم باحثون رئيسيون مشاركون في المشروع ، الذي بدأ في Northwestern في عام 2019 بدعم من مؤسسة Gordon and Betty Moore والمؤسسة السويسرية الوطنية للعلوم.
فراجوس ، الذي يعمل الآن في جامعة جنيف ، هو مؤلف مشارك في الدراسة. انضمت جامعة فلوريدا إلى التعاون هذا العام.
بالغت النماذج السابقة في تقدير جوانب معينة ، مثل توسع النجوم الضخمة ، مما يؤثر على فقدان كتلتها والتفاعلات الثنائية. هذه العناصر هي المكونات الأساسية التي تحدد خصائص دمج الثقوب السوداء.
بفضل البنية النجمية المفصلة والمتسقة تمامًا ومحاكاة التفاعل الثنائي ، تحقق POSYDON تنبؤات أكثر دقة لدمج خصائص الثقب الأسود الثنائي مثل كتلها ودورانها.
يعمل فريق البحث حاليًا على تطوير نسخة جديدة من POSYDON ، والتي ستتضمن مكتبة أكبر من المحاكاة النجمية والثنائية التفصيلية ، القادرة على محاكاة الثنائيات في نطاق أوسع من أنواع المجرات.
المصدر جامعة نورث وسترن
