همشهری آنلاین - یکتا فراهانی: فقط تصورش را بکنید؛ میلیون‌ها سال پس از انفجارهای کیهانی، اکنون ما می‌توانیم در کمتر از دو ثانیه، شاهد زایش یک سیاه‌چاله و بارش طلا از دل کیهان باشیم. این اتفاق، توسط یکی از سریع‌ترین ابررایانه‌های جهان ثبت شده است.
ستارگان نوترونی
از انفجارهای کیهانی تا زایش اسرارآمیز سیاهچالهها، ستارگان نوترونی همواره در کانون توجه اخترفیزیک‌دانان بوده‌اند. این ستارگان فشرده و مرده، با جرم‌هایی بیشتر از خورشید اما اندازه‌ای در حد یک شهر، وقتی به هم می‌رسند، جهان را به لرزه درمی‌آورند. اما فهمیدن این فرآیند نیازمند چیزی فراتر از تلسکوپ‌های نوری است؛ به‌ویژه زمانی که گرانش، نور، نوترینو و حتی امواج گرانشی وارد ماجرا می‌شوند.
دقیق‌ترین شبیه‌سازی تاریخ
اکنون پژوهشگران مؤسسه ماکس پلانک با همکاری یکی از پیشرفته‌ترین ابررایانه‌های جهان – فوگاگو در ژاپن – توانسته‌اند طولانی‌ترین و دقیق‌ترین شبیه‌سازی تاریخ از این رویداد کیهانی را انجام دهند؛ فقط در ۱.۵ ثانیه، ما شاهد تولد یک سیاه‌چاله، انفجار پرتوگاما و حتی بارش طلا بوده‌ایم.
کیهان در لحظه‌ای از انفجار: تولد سیاه‌چاله در ۱.۵ ثانیه
دانشمندان مؤسسه فیزیک گرانشی ماکس پلانک در اقدامی بی‌سابقه، موفق شدند شبیه‌سازی از برخورد دوستاره نوترونی را با جزئیاتی خیره‌کننده انجام دهند که به طور کامل روند تولد یک سیاه‌چاله را پوشش می‌دهد. این شبیه‌سازی برای اولین‌بار کل فرآیند را از آغاز تا پایان، در بازه‌ای به‌اندازه ۱.۵ ثانیه از زمان واقعی، مدل‌سازی کرده است.
بزرگ‌ترین شبیه‌سازی جهان
برای انجام این شبیه‌سازی، از ۱۳۰ میلیون ساعت پردازش استفاده شده که روی بیش از ۸۰ هزار پردازنده به‌صورت همزمان اجرا شده است. رایانه‌ای که این عملیات را اجرا کرد، ابررایانه ژاپنی «فوگاگو» است؛ یکی از سریع‌ترین و قدرتمندترین ابررایانه‌های دنیا. شبیه‌سازی به کمک نظریه نسبیت عام اینشتین، دینامیک‌های پیچیده مغناطیسی، و تابش نوترینو انجام شده و روند برخورد، فروریزش و در نهایت فوران یک جت انرژی را با دقتی بی‌سابقه بازسازی کرده است.
برخوردی که جهان را به لرزه در می‌آورد؛ مارپیچ درونی
در این شبیه‌سازی، دوستاره نوترونی با جرم‌هایی به‌اندازه ۱.۲۵ و ۱.۶۵ برابر جرم خورشید، پنج بار به‌دور یکدیگر چرخیدند و به دلیل ازدست‌دادن انرژی به‌وسیله امواج گرانشی به هم نزدیک شدند. این مرحله از «مارپیچ درونی» آغازگر فروپاشی نهایی بود. در پایان برخورد، جرم ترکیبی باعث شد ساختار به‌سرعت به یک سیاه‌چاله تبدیل و همزمان، یک سیگنال موج گرانشی قوی نیز منتشر شود.
میدان مغناطیسی؛ کلید جرقه یک انفجار نیرومند
پس از ادغام، یک دیسک از ماده پیرامون سیاه‌چاله شکل گرفت. در این دیسک، میدان‌های مغناطیسی به‌شدت تقویت و در تعامل با چرخش سریع سیاه‌چاله، یک جت انرژی به بیرون پرتاب شد. به گفته ماسارو شیباتا، مدیر بخش اخترفیزیک نسبیتی رایانشی در مؤسسه ماکس پلانک، این جریان انرژی همان چیزی است که انفجار پرتو گاما را ایجاد می‌کند.
بارش طلا از دل ستارگان؛ راز عناصر سنگین کیهان
یکی از جذاب‌ترین نتایج این شبیه‌سازی، پیش‌بینی نحوه پراکندگی ماده در اطراف سیاه‌چاله است. هنگامی که دو ستاره نوترونی به هم می‌رسند، مقادیر زیادی ماده به فضا پرتاب می‌شود که در نهایت به شکل ابرهای درخشان «کیلونووا» (Kilonova) دیده می‌شوند. این ابرها سرشار از عناصر سنگین مانند طلا و پلاتینیوم هستند؛ موادی که تاکنون منشاء آنها رازآلود بود.
درک منشأ گنجینه‌های کیهانی
وقتی در سال ۲۰۱۷ برای اولین‌بار برخورد ستارگان نوترونی با استفاده از امواج گرانشی و رصدهای نوری شناسایی شد، دانشمندان متوجه شدند بسیاری از این عناصر سنگین از همین برخوردها تولید می‌شوند. این شبیه‌سازی طولانی و دقیق، برای نخستین‌بار توانسته روند تولید و پخش این عناصر را با جزئیات کامل شبیه‌سازی کند و به درک بهتر منشأ این گنجینه‌های کیهانی کمک کند.
بیشتر بخوانید :
رصد چندپیامی
این شبیه‌سازی نه فقط یک موفقیت در مدل‌سازی علمی، بلکه یک پنجره به جهان «رصد چندپیامی» است. در این روش، دانشمندان به جای اتکا به تنها یک نوع سیگنال (مثلاً نور یا امواج گرانشی)، همزمان به اطلاعات گرانشی، نوترینوها، نورهای پرانرژی و دیگر امواج نگاه می‌کنند تا تصویری کامل‌تر از رویدادهای کیهانی به دست بیاورند.
داشتن مدلی دقیق که بتواند هر کدام از این سیگنال‌ها را پیش‌بینی کند، به ما کمک می‌کند بهتر برای رصدهای آینده آماده شویم و پیوند میان پدیده‌های مختلف کیهانی را بهتر بفهمیم.
گام بزرگ در فهم تولد سیاهچالهها و راز کیهان
شبیه‌سازی انجام شده توسط تیم ماکس پلانک، با پوشش کامل فرآیند برخورد ستارگان نوترونی و تولد سیاه‌چاله، نه‌تنها مرزهای دانش در فیزیک نظری را گسترش داده، بلکه دریچه‌ای نو به فهم ما از عناصر سنگین کیهان، انفجارهای پرتوگاما و امواج گرانشی گشوده است.
این دستاورد بی‌نظیر، نقش کلیدی در راهبردهای آینده رصد چندپیامی و فیزیک اختر کیهانی خواهد داشت و باعث می‌شود ما به رازهای عمیق‌تر جهان هستی نزدیک‌تر شویم؛ رازهایی که شاید روزی پاسخ بسیاری از سوالات بزرگ درباره منشأ خودمان در کیهان را به ما بدهند.