Një ekip astrofizikanësh i udhëhequr nga Caltech ka arritur për herë të parë të simulojë udhëtimin e gazit primitiv që daton nga universi i hershëm deri në fazën kur ai përfshihet në një disk materiali që ushqen një vrimë të zezë supermasive. Simulimi i ri kompjuterik përmbys idetë për disqe të tillë që astronomët kanë mbajtur që nga vitet 1970 dhe hap rrugën për zbulime të reja se si vrimat e zeza dhe galaktikat rriten dhe evoluojnë.
“Simulimi ynë i ri shënon kulminimin e disa viteve pune nga dy bashkëpunime të mëdha të filluara këtu në Caltech,” thotë Phil Hopkins, Profesor i Astrofizikës Teorike Ira S. Bowen.
Bashkëpunimi i parë, me nofkën FIRE (Feedback in Realistic Environments), është fokusuar në shkallët më të mëdha në univers, duke studiuar pyetje siç janë si formohen galaktikat dhe çfarë ndodh kur galaktikat përplasen. Tjetri, i quajtur STARFORGE, ishte dizenjuar për të ekzaminuar shkallë shumë më të vogla, duke përfshirë se si formohen yjet në re individuale gazi.
“Por kishte këtë hendek të madh midis të dyjave,” shpjegon Hopkins. “Tani, për herë të parë, ne kemi kaluar atë hendek.”
Për ta bërë këtë, studiuesit duhej të ndërtonin një simulim me një rezolucion që është më shumë se 1,000 herë më i madh se më i miri i mëparshëm në këtë fushë.
Për habinë e ekipit, siç raportoi në The Open Journal of Astrophysics, simulimi zbuloi se fushat magnetike luajnë një rol shumë më të madh sesa besohej më parë në formimin dhe formësimin e disqeve të mëdha të materialit që rrotullohen rreth dhe ushqejnë vrimat e zeza supermasive.
“Teoritë tona na thoshin se disqet duhet të jenë të sheshta si krepë,” thotë Hopkins. “Por ne e dinim që kjo nuk ishte e drejtë sepse vëzhgimet astronomike zbulojnë se disqet janë në të vërtetë të fryra – më shumë si një tortë ëngjëlli. Simulimi ynë na ndihmoi të kuptojmë se fushat magnetike janë ato që mbështesin materialin e diskut, duke e bërë atë më të fryrë.”
Vizualizimi i aktivitetit rreth vrimave të zeza supermasive duke përdorur ‘super zoom-ins’
Në simulimin e ri, studiuesit kryen atë që ata e quajnë një “super zoom-in” në një vrimë të zezë supermasive, një objekt i tmerrshëm që gjendet në zemrën e shumë galaktikave, përfshirë Rrugën e Qumështit tonë. Këto trupa të uritur, misterioze përmbajnë që nga mijëra deri në miliarda herë masën e diellit dhe kështu ushtrojnë një efekt të madh në çdo gjë që i afrohet.
Astronomët kanë ditur për dekada që ndërsa gazi dhe pluhuri tërhiqen nga graviteti i jashtëzakonshëm i këtyre vrimave të zeza, ato nuk thithen menjëherë. Në vend të kësaj, materiali së pari formon një disk që rrotullohet shpejt të quajtur disk akrecioni. Dhe kur materiali është gati të bjerë brenda, ai rrezaton një sasi të madhe energjie, duke shkëlqyer me një ndriçim të papërputhshëm nga çdo gjë tjetër në univers. Por shumë gjëra ende nuk dihen rreth këtyre vrimave të zeza supermasive aktive, të quajtura kuazare, dhe se si disqet që i ushqejnë ato formohen dhe sillen.
Ndërsa disqet rreth vrimave të zeza supermasive janë imazhuar më parë – Teleskopi i Horizontit të Ngjarjeve imazhoi disqe që rrotulloheshin rreth vrimave të zeza në zemrën e galaktikës sonë në 2022 dhe Messier 87 në 2019 – këto disqe janë shumë më afër dhe më të qeta se ato që rrotullohen rreth kuazareve.
Për të vizualizuar se çfarë ndodh rreth këtyre vrimave të zeza më aktive dhe më të largëta, astrofizikanët i drejtohen simulimeve të superkompjuterëve. Ata fusin informacion për fizikën që ndodh në këto mjedise galaktike – gjithçka nga ekuacionet themelore që qeverisin gravitetin deri tek si të trajtohet materia e errët dhe yjet – në mijëra procesorë kompjuterikë që punojnë paralelisht.
Ky input përfshin shumë algoritme, ose seri instruksionesh, për kompjuterët për të ndjekur për të rikrijuar fenomene të ndërlikuara. Kështu që, për shembull, kompjuterët dinë se sapo gazi të bëhet mjaftueshëm i dendur, formohet një yll. Por procesi nuk është aq i thjeshtë.
“Nëse thjesht thua se graviteti tërheq gjithçka poshtë dhe pastaj përfundimisht gazi formon një yll dhe yjet thjesht ndërtohen, do të gabosh gjithçka,” shpjegon Hopkins.
Në fund të fundit, yjet bëjnë shumë gjëra që ndikojnë në rrethinat e tyre. Ata rrezatojnë energji që mund të ngrohë ose shtyjë gazin përreth. Ata shpërthejnë erëra si era diellore e krijuar nga dielli ynë, e cila mund të fshijë materialin. Ata shpërthejnë si supernova, ndonjëherë duke hedhur material jashtë galaktikave ose duke ndryshuar kimikën e rrethinave të tyre. Pra, kompjuterët duhet të dinë gjithçka rreth kësaj “feedback yjore” gjithashtu, pasi ajo rregullon sa yje një galaktikë mund të formojë në të vërtetë.
Ndërtimi i një simulimi që shtrihet në shkallë të ndryshme
Por në këto shkallë më të mëdha, grupi i fizikës që janë më të rëndësishme për të përfshirë dhe cilat përafrime mund të bëhen ndryshojnë nga ato në shkallë më të vogla. Për shembull, në shkallën galaktike, detajet e ndërlikuara të sjelljes së atomeve dhe molekulave janë jashtëzakonisht të rëndësishme dhe duhet të ndërtohen në çdo simulim. Megjithatë, shkencëtarët bien dakord që kur simulimet fokusohen në zonën më të afërt rreth një vrime të zezë, kimia molekulare mund të injorohet kryesisht sepse gazi atje është shumë i nxehtë për atomet dhe molekulat për të ekzistuar. Në vend të kësaj, ajo që ekziston atje është plazma e nxehtë e jonizuar.
Krijimi i një simulimi që mund të mbulojë të gjitha shkallët e rëndësishme deri në nivelin e një disku akrecioni rreth një vrime të zezë supermasive ishte një sfidë e madhe kompjuterike – një që gjithashtu kërkonte një kod që mund të trajtonte të gjithë fizikën.
“Kishte disa kode që kishin fizikën që ju nevojitej për të bërë pjesën e problemit në shkallë të vogël dhe disa kode që kishin fizikën që ju nevojitej për të bërë pjesën më të madhe kozmologjike të problemit, por asgjë që kishte të dyja,” thotë Hopkins.
Ekipi i udhëhequr nga Caltech përdori një kod që ata e quajnë GIZMO për të dyja projektet e simulimit të shkallëve të mëdha dhe të vogla. Rëndësishëm, ata ndërtuan projektin FIRE në mënyrë që e gjithë fizika që ata shtuan të mund të funksiononte me projektin STARFORGE, dhe anasjelltas.
“Ne e ndërtuam atë në një mënyrë shumë modulare, në mënyrë që të mund të ndizni dhe fikni çdo pjesë të fizikës që dëshironit për një problem të caktuar, por të gjitha ishin të ndërkëmbyeshme,” thotë Hopkins.
Kjo lejoi shkencëtarët në punën më të fundit të simulojnë një vrimë të zezë që është rreth 10 milion herë masa e diellit tonë, duke filluar në universin e hershëm. Simulimi pastaj zmadhohet në atë vrimë të zezë në një moment kur një rrjedhë e madhe materiali shkëputet nga një re gazi që formon yje dhe fillon të rrotullohet rreth vrimës së zezë supermasive. Simulimi mund të vazhdojë të zmadhohet, duke zgjidhur një zonë më të imët në çdo hap ndërsa ndjek gazin në rrugën e tij drejt vrimës.
Disqe të habitshme, magnetike
“Në simulimin tonë, ne shohim këtë disk akrecioni që formohet rreth vrimës së zezë,” thotë Hopkins. “Ne do të ishim shumë të emocionuar nëse do të kishim parë vetëm atë disk akrecioni, por ajo që ishte shumë befasuese ishte se disku i simuluar nuk duket siç kemi menduar për dekada se duhet të duket.”
Në dy punime thelbësore nga vitet 1970 që përshkruanin disqet e akrecionit që ushqenin vrimat e zeza supermasive, shkencëtarët supozuan se presioni termik – ndryshimi në presionin e shkaktuar nga ndryshimi i temperaturës së gazit në disqe – luante rolin dominues në parandalimin e disqeve të tilla nga kolapsimi nën gravitetin e jashtëzakonshëm që përjetojnë afër vrimës së zezë. Ata pranuan se fushat magnetike mund të luanin një rol të vogël në ndihmën për të mbështetur disqet.
Në kontrast, simulimi i ri zbuloi se presioni nga fushat magnetike të disqeve të tilla ishte në fakt 10,000 herë më i madh se presioni nga nxehtësia e gazit.
“Pra, disqet kontrollohen pothuajse plotësisht nga fushat magnetike,” thotë Hopkins. “Fushat magnetike shërbejnë shumë funksione, njëra prej të cilave është mbështetja e disqeve dhe bërja e materialit të fryrë.”
Ky realizim ndryshon një mori parashikimesh që shkencëtarët mund të bëjnë rreth disqeve të tilla akrecioni, si masa e tyre, sa të dendura dhe të trasha duhet të jenë, sa shpejt materiali duhet të jetë në gjendje të lëvizë nga ato në një vrimë të zezë, dhe madje edhe gjeometria e tyre (si nëse disqet mund të jenë të shtrembër).
Duke parë përpara, Hopkins shpreson se kjo aftësi e re për të kapërcyer hendekun në shkallët për simulimet kozmologjike do të hapë shumë drejtime të reja kërkimi. Për shembull, çfarë ndodh në detaje kur dy galaktika bashkohen? Çfarë lloj yjesh formohen në rajonet e dendura të galaktikave ku kushtet janë ndryshe nga ato në fqinjësinë e diellit tonë? Si mund të ketë dukur gjenerata e parë e yjeve në univers?
“Ka shumë për të bërë,” thotë ai.
Më shumë informacione: Philip F. Hopkins et al, FORGE’d in FIRE: Resolving the End of Star Formation and Structure of AGN Accretion Disks from Cosmological Initial Conditions, The Open Journal of Astrophysics (2024). DOI: 10.21105/astro.2309.13115
