Kara delikler ve simülasyon kitaplığı

Uluslararası Event Horizon Telescope işbirliği, bu sefer kendi Samanyolu galaksimizin merkezinde bir kara deliğin ikinci bir görüntüsünü yakaladı. Ancak görüntüye anlam kazandırmak için işbirliğinin onu kara delik simülasyonlarıyla karşılaştırması gerekiyordu.

Uluslararası Event Horizon Telescope Collaboration, 300’den fazla bilim insanı ve mühendisi, Dünya boyutunda bir sanal teleskop oluşturan bir senkronize teleskoplar ağı kurmak için seferber ettikten sonra, süper kütleli kara deliklerin ilk görüntülerini yakaladı. Messier 87 galaksisinin merkezindeki kara deliğin ilk görüntüsü 2019’da yayınlandı. Perşembe günü yayınlanan en son görüntü, Sagittarius A* olarak adlandırılan kendi Samanyolu galaksimizin merkezindeki kara deliği gösteriyor.

Peki bu görüntüler yakalandıktan sonra ne olacak?

Arizona Üniversitesi, College of Science’s Steward’da yardımcı araştırma profesörü olan Chi-Kwan “CK” Chan, “Bir görüntüyü yakalamak sadece bir başlangıç. Gözlemlediğimiz nesneyi gerçekten anlamak için, onu simülasyonlarla karşılaştırmamız gerekti” dedi. Gözlemevi. Chan, EHT Bilim Konseyi sekreteri olarak görev yapıyor ve EHT gibi astronomik projeleri büyük veri bilimi çağına sokmak için altyapıyı geliştirmek için çalışan uluslararası Kara Delik PIRE Projesi için kıdemli bir araştırmacı.

Chan aynı zamanda EHT işbirliğinin teorik modelleme ve yorumlama çabalarının lideridir. bir tur bilimsel makale EHT İşbirliği tarafından yayınlanan Astrofizik Dergi Mektupları. Kara delik simülasyonları yaratmaya ve bunları gerçek gözlemlerle karşılaştırılabilecek sentetik görüntülere dönüştürmeye odaklanan beşinci makaleyi koordine etti ve bize kara delik hakkında yeni bir şey öğretmek istedi.

Bu sürecin bir sonucu olarak, EHT bilim adamları, Sagittarius A*’nın muhtemelen dönüyor olduğunu ve yakındaki gazı uzaklaştırmak için yeterli olan bir buzdolabı mıknatısından biraz daha güçlü bir manyetik alana sahip olduğunu belirlediler. Kara deliğe düşen gaz, Dünya’dan, kenardan ziyade yüz yüze gibi görünen bir disk oluşturur. Bu dağınık parlayan disk, aşırı ısıtılmış gaz veya plazmadan ve yüklü parçacıklardan oluşur. Elektronlar, plazmadaki iyonlardan 100 kat daha soğuktur ve disk, kara deliğin döndüğü yönde döner. Ayrıca, bu malzemenin sadece bir kısmı kara deliğe düşüyor. Yay A* bir insan olsaydı, her milyon yılda bir tek pirinç tanesi tüketirdi.

anlam bulmak

UArizona, Illinois Üniversitesi ve Harvard Üniversitesi ile birlikte, EHT’nin simülasyon kütüphanesi olarak adlandırdığı, bugüne kadarki en büyük simülasyon koleksiyonunu oluşturma çabasına öncülük etti. Bu kitaplık, plazmanın kara deliklerin etrafındaki manyetik alanlarla nasıl etkileşime girdiği hakkında bilgi içeren binlerce veri kümesinden ve milyonlarca simüle edilmiş görüntüden oluşur. Her simülasyon, kara deliğin ve çevresindeki ortamın özellikleri ve özellikleri hakkında farklı bir şey varsayar.

EHT bilim adamları, bir eşleşme bulmak için simüle edilmiş her görüntüyü gerçek kara delik görüntüsüyle karşılaştırabilir. En yakın eşleşmeyle anlık görüntüyü oluşturan simülasyon, plazma sıcaklığı ve manyetik alanının gücü de dahil olmak üzere gerçek kara delik hakkında bize bir şeyler öğretebilir.

Simülasyon süreci, malzeme ve enerjinin önemli ölçüde çarpık uzay ve zaman içindeki kara delikler etrafındaki hareketini ortaya çıkaran genel göreli manyetohidrodinamik veya GRMHD denklemlerini çözmek için süper bilgisayarların kullanılmasını içerir. Chan, GRMHD simülasyonlarının, havanın uçakların etrafında nasıl aktığını anlamak için kullanılan simülasyonlara benzer olduğunu söyledi, ancak GRMHD simülasyonları, Einstein’ın genel görelilik teorisi ve manyetik alanlar ile plazma arasındaki etkileşim tarafından tarif edildiği gibi, aşırı yerçekimi kuvvetlerini de etkiliyor.

Kalem, kağıt ve zamanla çözülebilen daha basit denklemlerin aksine, GRMHD denklemleri, manyetik alanlar ve plazma arasındaki sabit geri beslemeyi hesaba katarak sürekli değişen bir denklemle sonuçlandığından çok daha karmaşıktır.

Simülasyon kitaplığını oluşturmak için EHT İşbirliğinin 80 milyon CPU saatine veya işlem süresine ihtiyacı vardı; bu, tam bir yıl boyunca 2.000 dizüstü bilgisayarı tam hızda çalıştırmaya eşdeğerdi. İşbirliği, Chan’ın Frontera Büyük Ölçekli Topluluk Ortaklıkları tahsisinin baş araştırmacısı olduğu Texas Advanced Computing Center’daki Ulusal Bilim Vakfı tarafından finanse edilen Frontera süper bilgisayarı ile kütüphaneyi oluşturmak için hesaplamaları yaptı. Bu kaynakla ekip, simülasyon kitaplığının tamamını iki ayda tamamlamayı başardı.

Chan, “Bunun gibi simülasyonları EHT gözlemleriyle karşılaştırmak için, GRMHD verilerini de görüntülere çevirmek için ek hesaplamalar yapmamız gerekiyor” dedi. “Bu tür hesaplamalara genel göreli ışın izleme denir.”

EHT, bir kara deliğin galaktik merkezinden belirli bir dalga boyunu (1,3 milimetre) radyo dalgasını tespit etmek için tasarlandı. Bu radyo dalgalarını simüle etmek ve görüntüler oluşturmak için bilim adamları, yine süper bilgisayarlar kullanarak ışığın kara deliğe geri döndüğü yolu izliyorlar.

Chan, UArizona merkezli ulusal bir siber altyapı olan CyVerse ve büyük miktarda verinin hesaplanması için bir konsorsiyum olan NSF tarafından finanse edilen Open Science Grid aracılığıyla Sagittarius A* için ışın izleme hesaplama çabalarının çoğunu yönetti. UArizona ekibi, bu simülasyonları çalıştırmak için hesaplama kaynaklarını edinme çabalarına öncülük etmekle kalmadı, aynı zamanda hesaplamaları kolaylaştıran yazılımı da yarattı.

Nihai ürün, temel fizik hakkında farklı varsayımlar tarafından üretilen birçok simüle edilmiş film ve bir kara deliğin simüle edilmiş görüntüleridir. Ekip daha sonra bu filmleri ve görüntüleri gerçek kara deliklerle karşılaştırır.

UArizona öğrencileri karşılaştırmayı mümkün kılmada önemli bir rol oynadı. Astronomi okuyan yeni mezun Yuan Jea Hew ve bilgisayar bilimi ve uygulamalı matematik okuyan ikinci sınıf öğrencisi Anthony Hsu, karşılaştırmayı mümkün kılmak için veri analizi algoritmaları geliştirdi.

İşbirliği, kara delik simülasyonlarının gerçek kara delikle yeterince eşleşmesi için geçmesi gereken 11 farklı teste dayanıyordu.

Chan, “Sagittarius A*’yı o kadar iyi anlamamız dikkat çekici ki, 11 testten 10’unu geçen bazı modellerimiz var” dedi.

Testler, belirli dalga boylarının parlaklığı, görüntü boyutu ve kara deliği çevreleyen parlayan halkanın boyutu ve genişliği gibi değişkenleri dikkate aldı.

Chan, “Ancak, hiçbir model 11 testi geçemedi” dedi. Modellerin geçmesi en zor olan test, kara deliğin an be an ne kadar değiştiğini ölçen değişkenlikti. Simülasyonlar, gerçek Yay A*’dan daha değişkendir.

Chan, “Simülasyonları oturmalarına izin vermek için ne kadar uzun süre çalıştırırsak yapalım, simülasyonların çoğu hala bu testte başarısız oldu” dedi. “Gerçekle pek uyuşmuyorlar, ama bence bu, her şeyin basitçe yoluna girmesinden daha heyecan verici. Şimdi, biraz yeni fizik öğrenebilir ve kendi kara deliğimizi daha iyi anlayabiliriz.”

Kara delikleri anlamak için çalışan UArizona öğretim üyeleri on yıllardır bu zorlukla mücadele ediyor ve Samanyolu’nun merkezindeki kara deliği ve Messier 87 galaksisinin merkezindeki kara deliği ideal çalışma hedefleri olarak tanımlayan araştırma gruplarının bir parçasıydı. . Üniversite ayrıca bu görüntüleri oluşturmak için kullanılan EHT dizisindeki sekiz teleskoptan ikisine de katkıda bulundu: Arizona’daki Graham Dağı’ndaki Milimetre Altı Teleskop ve Antarktika’daki Güney Kutbu Teleskobu. 2019’da UArizona, Arizona’daki Kitt Peak’teki 12 metrelik teleskopu da diziye ekledi.

Astronomi profesörleri Dimitrios Psaltis, Feryal Özel, Dan Marrone ve araştırma profesörü ve astronom Remo Tilanus da dahil olmak üzere toplam 36 UArizona araştırmacısı, yüksek lisans öğrencisi ve lisans öğrencisi EHT İşbirliğine katılıyor. Astronomi bölüm başkanı Buell Jannuzi EHT kurulunda görev yapıyor.