חורים שחורים היו מקור אינסופי לקסמים מאז שתורת היחסות הכללית של איינשטיין ניבאה את קיומם. במאה השנים האחרונות חקר החורים השחורים התקדם במידה ניכרת, אך הפאתם והתעלומה של חפצים אלה נותרים בעינם. לדוגמה, מדענים ציינו כי במקרים מסוימים, בחורים שחורים יש מטוסים מסיביים של חלקיקים טעונים הנובעים מהם הנמשכים מיליוני שנות אור.
"מטוסים יחסיים" אלה - שנקראים כך מכיוון שהם מניעים חלקיקים טעונים בשבריר ממהירות האור - תמוהים את האסטרונומים במשך שנים. אך הודות למחקר שנערך לאחרונה על ידי צוות חוקרים בינלאומי, הושגה תובנה חדשה על מטוסים אלה. בהתאם לתורת היחסות הכללית, הראו החוקרים כי מטוסים אלה נדרשים בהדרגה (כלומר משנים כיוון) כתוצאה מהזמן שנגרר לסיבוב של החור השחור.
המחקר שלהם, שכותרתו "תצורה של מטוסים קודמים על ידי דיסקי חור שחור הטיה בתלת מימד הדמויות יחסית יחסית של MHD", הופיע לאחרונה בסרט הודעות חודשיות של החברה המלכותית לאסטרונומיה. הצוות כלל חברים מהמרכז לחקירה ומחקר בינתחומי באסטרופיזיקה (CIERA) באוניברסיטת נורת'ווסטרן.
לצורך המחקר, הצוות ערך הדמיות באמצעות מחשב העל Blue Waters באוניברסיטת אילינוי. ההדמיות שביצעו היו הראשונות אי פעם לדגמן את התנהגותן של מטוסים רלטיביים שהגיעו מחורים שחורים סופר-מסיביים. עם קרוב למיליארד תאי חישוב, זה היה גם ההדמיה ברזולוציה הגבוהה ביותר של חור שחור מצטבר שהושג אי פעם.
כפי שהסביר אלכסנדר צ'כובסקוי, עוזר פרופסור לפיזיקה ואסטרונומיה במכללת וויינברג למדעים ומדעים של נורת'ווסטרן, בהודעה לעיתונות האחרונה ב- Northwestern Now:
"ההבנה כיצד חורים שחורים מסתובבים גוררים את זמן המרחב סביבם וכיצד התהליך הזה משפיע על מה שאנו רואים דרך הטלסקופים נותרת חידה מכריעה וקשה לפיצוח. למרבה המזל, פריצות הדרך בפיתוח קוד וקפיצות באדריכלות מחשבי העל מקרבות אותנו לאיתור התשובות. "
כמו כל החורים השחורים הסופר-מסיביים, SMBHs המסתובבים במהירות סוחפים באופן קבוע (aka. Accrete) חומר. עם זאת, חורים שחורים מסתובבים במהירות ידועים גם בדרך בה הם פולטים אנרגיה בצורה של מטוסים יחסיים. העניין שמזין את החורים השחורים הללו יוצר סביבם דיסק מסתובב - aka. דיסק הטמעה - המאופיין בקווי גז חמים ומופעלים בשדה מגנטי.
נוכחותם של קווי שדה אלה היא המאפשרת לחורים שחורים להניע אנרגיה בצורה של מטוסים אלה. מכיוון שהמטוסים הללו כה גדולים, קל יותר ללמוד אותם מאשר החורים השחורים עצמם. בכך, אסטרונומים מסוגלים להבין כמה מהר משתנה כיוון המטוסים הללו, מה שמגלה דברים לגבי סיבוב החורים השחורים עצמם - כמו הכיוון וגודל הדיסקים המסתובבים שלהם.
הדמיות ממוחשבות מתקדמות נחוצות כשמדובר בחקר חורים שחורים, בעיקר מכיוון שאינם ניתנים לצפייה באור נראה והם בדרך כלל רחוקים מאוד. למשל, ה- SMBH הקרוב ביותר לכדור הארץ הוא מזל קשת A *, שנמצא כ- 26,000 שנות אור ממנו במרכז הגלקסיה שלנו. כיוון שכך, הדמיות הן הדרך היחידה לקבוע כיצד פועלת מערכת מורכבת ביותר כמו חור שחור.
בסימולציות קודמות, מדענים פעלו תחת ההנחה כי דיסקים של חור שחור היו מיושרים. עם זאת, נמצא כי לרוב ה- SMBH דיסקים הטיה - כלומר הדיסקים מסתובבים סביב ציר נפרד מהחור השחור עצמו. לכן המחקר הזה היה סמלי בכך שהוא הראה כיצד דיסקים יכולים לשנות כיוון ביחס לחור השחור שלהם, מה שהוביל להקמת מטוסים המשנים מדי פעם את כיווןם.
זה לא היה ידוע בעבר בגלל הכוח המחושב להפליא הדרוש כדי לבנות הדמיות תלת מימדיות של האזור המקיף חור שחור מסתובב במהירות. בתמיכת מענק קרן המדע הלאומית (NSF) הצליח הצוות להשיג זאת באמצעות שימוש ב"כחול המים ", אחד ממחשבי העל הגדולים בעולם.
כאשר מחשב העל הזה היה עומד לרשותם הצוות הצליח לבנות את קוד הסימולציה החור הראשון, אותו האיצו באמצעות יחידות עיבוד גרפיות (GPU). הודות לשילוב זה הצוות הצליח לבצע הדמיות שרמת הרזולוציה הגבוהה ביותר הושגה אי פעם - כלומר קרוב למיליארד תאי חישוב. כפי שהסביר צ'כובסקוי:
"הרזולוציה הגבוהה אפשרה לנו, לראשונה, להבטיח שתנועות הדיסק הסוערות בקנה מידה קטן יתפסו במדויק במודלים שלנו. להפתעתנו, התנועות הללו התבררו כה חזקות עד שהן גרמו לדיסוי של הדיסק ולהפסקת תקופת הדיסק. זה מצביע על כך שההכרה יכולה להתפרץ. "
קדימה של מטוסים רלטיביסטיים יכולה להסביר מדוע נצפו תנודות אור שמגיעות סביב חורים שחורים בעבר - המכונים תנודות מעין-תקופתיות (QPOs). הקורות הללו, שהתגלו לראשונה על ידי מיכיל ואן דר קליס (אחד המחברים המשותפים למחקר), פועלות באופן דומה לזה של קורות הקוואזאר, שנראות שיש להן השפעה מלטפת.
מחקר זה הוא אחד מיני רבים שמתנהל סביב סיבוב חורים שחורים ברחבי העולם, שמטרתו להשיג הבנה טובה יותר לגבי תגליות אחרונות כמו גלי כבידה, הנגרמים על ידי מיזוג של חורים שחורים. מחקרים אלה מיושמים גם על תצפיות מטלסקופ Event Horizon, שתפס את התמונות הראשונות של הצל של קשת A *. מה שהם יחשפו בטוח ירגש ונדהים, ועלול להעמיק את תעלומת החורים השחורים.
במאה האחרונה, חקר החורים השחורים התקדם במידה ניכרת - החל מהתיאורטי הטהור, למחקרים עקיפים של ההשפעות שיש להם על החומר הסובב, ועד לחקר גלי הכבידה עצמם. אולי יום אחד, למעשה נוכל ללמוד אותם ישירות או (אם זה לא יותר מדי לקוות) להציץ ישירות בתוכם!
