Kozmik simülasyon kara deliklerin nasıl büyüdüğünü ve evrimleştiğini ortaya koyuyor

Caltech liderliğindeki bir astrofizikçi ekibi, ilk kez erken evrenden tek bir süper kütleli kara deliği besleyen bir madde diskine sürüklendiği aşamaya kadar ilkel gazın yolculuğunu simüle etmeyi başardı. Yeni bilgisayar simülasyonu, gökbilimcilerin 1970’lerden beri sahip olduğu bu tür diskler hakkındaki fikirleri altüst ediyor ve kara deliklerin ve galaksilerin nasıl büyüdüğü ve evrimleştiği hakkında yeni keşiflerin önünü açıyor.

“Yeni simülasyonumuz, Caltech’te başlayan iki büyük işbirliğinin birkaç yıllık çalışmasının doruk noktasını oluşturuyor,” diyor Ira S. Bowen Teorik Astrofizik Profesörü Phil Hopkins.

FIRE (Feedback in Realistic Environments) lakaplı ilk iş birliği, evrendeki daha büyük ölçeklere odaklanmış, galaksilerin nasıl oluştuğu ve galaksiler çarpıştığında ne olduğu gibi soruları incelemiştir. STARFORGE adlı diğeri ise yıldızların bireysel gaz bulutlarında nasıl oluştuğu gibi çok daha küçük ölçekleri incelemek için tasarlanmıştır.

“Ancak ikisi arasında büyük bir uçurum vardı,” diye açıklıyor Hopkins. “Şimdi, ilk kez, o uçurumu kapattık.”

Bunu yapabilmek için araştırmacıların, alandaki önceki en iyi simülasyondan 1.000 kat daha yüksek çözünürlüğe sahip bir simülasyon oluşturmaları gerekiyordu.

Takımın sürprizine rağmen, bildirildi içinde Açık Astrofizik DergisiSimülasyon, manyetik alanların süper kütleli kara deliklerin etrafında dönen ve onları besleyen devasa malzeme disklerinin oluşumunda ve şekillenmesinde daha önce düşünülenden çok daha büyük bir rol oynadığını ortaya koydu.

“Teorilerimiz bize disklerin krep gibi düz olması gerektiğini söylüyordu,” diyor Hopkins. “Ancak bunun doğru olmadığını biliyorduk çünkü astronomik gözlemler disklerin aslında kabarık olduğunu ortaya koyuyor – daha çok bir melek pastası gibi. Simülasyonumuz, manyetik alanların disk malzemesini desteklediğini ve onu daha kabarık hale getirdiğini anlamamıza yardımcı oldu.”

Süper kütleli kara deliklerin etrafındaki aktiviteyi ‘süper yakınlaştırmalar’ kullanarak görselleştirmek

Yeni simülasyonda araştırmacılar, Samanyolu’muz da dahil olmak üzere birçok galaksinin kalbinde yer alan devasa bir nesne olan tek bir süper kütleli kara deliğe “süper yakınlaştırma” adını verdikleri bir şey uyguladılar. Bu açgözlü, gizemli cisimler, güneşin kütlesinin binlerce ila milyarlarca katı arasında bir kütleye sahip ve bu nedenle yakınlarına gelen her şey üzerinde büyük bir etki yaratıyorlar.

Gökbilimciler, gaz ve tozun bu kara deliklerin muazzam çekimi tarafından içeri çekildiğinin, anında emilmediğini onlarca yıldır biliyorlar. Bunun yerine, madde önce birikme diski adı verilen hızla dönen bir disk oluşturuyor. Ve madde tam içeri düşmek üzereyken, evrendeki hemen hemen hiçbir şeyin ulaşamayacağı bir parlaklıkla parlayarak muazzam miktarda enerji yayıyor. Ancak kuasar adı verilen bu aktif süper kütleli kara delikler ve onları besleyen disklerin nasıl oluştuğu ve davrandığı hakkında hâlâ pek bir şey bilinmiyor.

Süper kütleli kara deliklerin etrafındaki diskler daha önce görüntülenmişti – Olay Ufku Teleskobu 2022’de kendi galaksimizin kalbindeki kara deliklerin etrafındaki diskleri ve 2019’da Messier 87’yi görüntülemişti – ancak bu diskler kuasarların etrafında dönen disklerden çok daha yakın ve daha uysal.

Bu daha aktif ve uzak kara deliklerin etrafında neler olduğunu görselleştirmek için astrofizikçiler süper bilgisayar simülasyonlarına yöneliyor. Bu galaktik ortamlarda işleyen fizikle ilgili bilgileri – yerçekimini yöneten temel denklemlerden karanlık madde ve yıldızların nasıl ele alınacağına kadar her şeyi – paralel olarak çalışan binlerce bilgisayar işlemcisine aktarıyorlar.

Bu girdi, bilgisayarların karmaşık fenomenleri yeniden yaratması için takip etmesi gereken birçok algoritma veya talimat dizisi içerir. Yani, örneğin, bilgisayarlar gaz yeterince yoğun hale geldiğinde bir yıldızın oluştuğunu bilir. Ancak süreç o kadar basit değildir.

Hopkins, “Yerçekiminin her şeyi aşağı çektiğini ve sonunda gazın bir yıldız oluşturduğunu ve yıldızların biriktiğini söylerseniz, her şeyi çok yanlış anlarsınız” diye açıklıyor.

Sonuçta, yıldızlar çevrelerini etkileyen birçok şey yaparlar. Çevrelerindeki gazı ısıtabilen veya itebilen radyasyon yayarlar. Güneşimizin yarattığı güneş rüzgarı gibi rüzgarlar estirirler ve bu da maddeyi süpürebilir. Süpernova olarak patlarlar, bazen galaksilerden madde fırlatırlar veya çevrelerinin kimyasını değiştirirler. Bu yüzden bilgisayarlar bu “yıldız geri bildiriminin” tüm inceliklerini de bilmelidir, çünkü bu, bir galaksinin gerçekte kaç yıldız oluşturabileceğini düzenler.

Birden fazla ölçeği kapsayan bir simülasyon oluşturma

Ancak bu daha büyük ölçeklerde, dahil edilmesi en önemli fizik kümesi ve hangi yaklaşımların yapılabileceği daha küçük ölçeklerdekinden farklıdır. Örneğin, galaktik ölçekte, atomların ve moleküllerin nasıl davrandığına dair karmaşık ayrıntılar son derece önemlidir ve herhangi bir simülasyona dahil edilmelidir. Ancak bilim insanları, simülasyonlar bir kara deliğin etrafındaki daha yakın alana odaklandığında, moleküler kimyanın çoğunlukla göz ardı edilebileceği konusunda hemfikirdir çünkü oradaki gaz, atomların ve moleküllerin var olması için çok sıcaktır. Bunun yerine, orada var olan şey sıcak iyonize plazmadır.

Süper kütleli bir kara deliğin etrafındaki tek bir birikim diski düzeyine kadar tüm ilgili ölçekleri kapsayabilen bir simülasyon yaratmak, çok büyük bir hesaplama zorluğuydu; ayrıca tüm fiziği işleyebilen bir kod da gerektiriyordu.

Hopkins, “Sorunun küçük ölçekli kısmını yapmak için ihtiyaç duyduğunuz fiziğe sahip bazı kodlar ve sorunun daha büyük, kozmolojik kısmını yapmak için ihtiyaç duyduğunuz fiziğe sahip bazı kodlar vardı, ancak her ikisini de içeren hiçbir kod yoktu” diyor.

Caltech liderliğindeki ekip, hem büyük hem de küçük ölçekli simülasyon projeleri için GIZMO adını verdikleri bir kod kullandı. Önemlisi, FIRE projesini, ekledikleri tüm fiziğin STARFORGE projesiyle çalışabileceği ve bunun tersi şekilde çalışabileceği şekilde oluşturdular.

Hopkins, “Bunu çok modüler bir şekilde inşa ettik, böylece belirli bir problem için istediğiniz fizik parçalarını açıp kapatabiliyordunuz, ancak hepsi çapraz uyumluydu” diyor.

Bu, son çalışmada bilim insanlarının erken evrenden başlayarak güneşimizin kütlesinin yaklaşık 10 milyon katı olan bir kara deliği simüle etmelerine olanak sağladı. Simülasyon daha sonra dev bir madde akışının yıldız oluşturan gaz bulutundan koparıldığı ve süper kütleli kara deliğin etrafında dönmeye başladığı bir anda o kara deliğe yakınlaşır. Simülasyon yakınlaşmaya devam edebilir ve gazı deliğe doğru takip ederken her adımda daha ince bir alanı çözebilir.

Şaşırtıcı derecede kabarık, manyetik diskler

“Simülasyonumuzda, kara deliğin etrafında bu birikim diskinin oluştuğunu görüyoruz,” diyor Hopkins. “Eğer sadece bu birikim diskini görmüş olsaydık çok heyecanlanırdık, ancak çok şaşırtıcı olan şey, simüle edilen diskin onlarca yıldır düşündüğümüz gibi görünmemesiydi.”

1970’lerden süper kütleli kara delikleri besleyen birikim disklerini tanımlayan iki çığır açıcı makalede, bilim insanları termal basıncın (disklerdeki gazın değişen sıcaklığının neden olduğu basınç değişimi) bu tür disklerin kara deliğe yakın yaşadıkları muazzam yerçekimi altında çökmesini önlemede baskın bir rol oynadığını varsaydılar. Manyetik alanların diskleri desteklemede küçük bir rol oynayabileceğini kabul ettiler.

Öte yandan yeni simülasyon, bu tür disklerin manyetik alanlarından kaynaklanan basıncın, gazın ısısından kaynaklanan basınçtan aslında 10.000 kat daha fazla olduğunu buldu.

“Dolayısıyla, diskler neredeyse tamamen manyetik alanlar tarafından kontrol ediliyor,” diyor Hopkins. “Manyetik alanlar birçok işleve hizmet ediyor, bunlardan biri de diskleri desteklemek ve malzemeyi kabarık hale getirmek.”

Bu farkındalık, bilim insanlarının bu tür birikim diskleri hakkında yapabilecekleri bir dizi öngörüyü değiştiriyor. Örneğin, disklerin kütlesi, ne kadar yoğun ve kalın olmaları gerektiği, maddenin disklerden kara deliğe ne kadar hızlı hareket edebilmesi gerektiği ve hatta geometrisi (örneğin, disklerin asimetrik olup olamayacağı) gibi.

Hopkins, ileriye baktığında, kozmolojik simülasyonlar için ölçeklerdeki boşluğu kapatmaya yönelik bu yeni yeteneğin birçok yeni araştırma yolu açacağını umuyor. Örneğin, iki galaksi birleştiğinde ayrıntılı olarak ne olur? Güneşimizin komşuluğundaki koşullardan farklı koşulların olduğu galaksilerin yoğun bölgelerinde hangi tür yıldızlar oluşur? Evrendeki ilk nesil yıldızlar nasıl görünebilirdi?

“Yapılacak o kadar çok şey var ki” diyor.