این موفقیت به لطف علمی به نام تداخلسنجی با خطپایهی بسیار بلند (Very Long Baseline Interferometry – VLBI) ممکن شد؛ روشی که در آن چندین ابزار رصدی بهطور همزمان نور را جمعآوری میکنند تا تصویری کامل از آنچه یک جرم فضایی «بهنظر میرسد» بسازند. در آن مورد، تصویر مربوط به سیاهچالهی ابرپرجرم (SMBH) در مرکز کهکشان عظیم مسیر ۸۷ (Messier 87) بود؛ کهکشانی در فاصله ۵۵ میلیون سال نوری از زمین. پس از آن، تصاویر دیگری از فوارههای نسبیتی خارجشده از دو کهکشان درخشان و همچنین تصویر سیاهچاله ابرپرجرم کمان A* (Sagittarius A*) در مرکز کهکشان راه شیری منتشر شد.
در همین حال، دانشمندان همکاری EHT از شبیهسازیهای ابررایانهای برای دقیقتر کردن درک خود از محیط فراتر از مرز بیرونی سیاهچالهها – یعنی افق رویداد – استفاده میکنند. در میان این پژوهشگران، تیمی به سرپرستی اندرو چیل (Andrew Chael)، پژوهشگر همکار دانشگاه پرینستون و عضو ابتکار گرانش پرینستون، قرار دارد. او و گروهش شبیهسازیهایی از سیاهچاله ابرپرجرم M87 با استفاده از ابررایانههای Stampede2 و Stampede3 در مرکز محاسبات پیشرفته تگزاس (TACC) انجام دادند. تصویر بهدستآمده (که در بالا دیده میشود) نشان میدهد نور ناشی از الکترونهای داغ چگونه درست در ورای «سایه» سیاهچاله مارپیچ میزند.
گروه چیل یکی از گروههای متعددی است که از شبیهسازیهای پیشرفته برای مدلسازی دینامیک سایه سیاهچاله استفاده میکنند؛ دینامیکی که شامل پلاسماهای پرانرژی، میدانهای مغناطیسی و گرانش قدرتمند است. همه این عوامل در یک سیستم پیچیده با یکدیگر برهمکنش دارند و باعث میشوند سیاهچالهها مادهای را که به سویشان میافتد، ببلعند، حجم عظیمی از تابش را آزاد کنند و فوارههای نسبیتیای ایجاد نمایند که میتوانند میلیونها سال نوری امتداد یابند. شبیهسازیهای انجامشده شامل ۱۱ مدل شبیهسازی GRMHD (مغناطوهیدرودینامیک نسبیت عام) بودند که با رویکرد دینامیک سیالات، پلاسما را در برهمکنش با گرانش و خطوط میدان مغناطیسی شبیهسازی میکنند.
چیل در بیانیه خبری TACC گفت:
«از همان زمانی که نخستین تصویر سیاهچاله را ساختیم، تلاشهای زیادی برای درک محیط اطراف آن آغاز شده است. ما میخواهیم ماهیت ذرات این پلاسما را که سیاهچاله میبلعد، بشناسیم و جزئیات میدانهای مغناطیسی درهمتنیده با پلاسما را که در M87 فوارههای عظیم و درخشان ذرات زیراتمی را پرتاب میکند، بررسی کنیم.»
چیل از دوران تحصیلات تکمیلی، شبیهسازیهای خود را با استفاده از زیرساخت اکتشافات علمی و مهندسی پیشرفته (XSEDE) و منابع فراهمشده توسط برنامه ACCESS مرکز TACC انجام داده است. به لطف پیشرفتهای اخیر که او و تیمش با کد اختصاصی خود به دست آوردند، شبیهسازیهایشان فراتر از مدلهای سنتی رفت که پروتونها و الکترونهای باردار را بهعنوان یک واحد در نظر میگرفتند.
او افزود:
«این مقاله نخستین تلاش برای استفاده از روشی پیشرفتهتر – هرچند پرهزینهتر از نظر محاسباتی – برای مدلسازی مستقیم این دو گونه ذره، یعنی الکترونها و پروتونها، بهصورت جداگانه است تا ببینیم چگونه برهمکنش میکنند و بهویژه، دمای نسبی این دو گونه چه نسبتی دارد.»
نتایج شبیهسازیها نشان داد دمای الکترونهای اطراف M87 بسیار بیشتر از آن چیزی است که قبلاً تصور میشد و حدود ۱۰۰ برابر کمتر از دمای پروتونها است. این یافته اهمیت دارد زیرا اختلاف دمای میان این دو گونه ذره، درخشندگی و دیگر ویژگیهای تصویر را تعیین میکند. بنابراین این نتایج یک تضاد بنیادی میان مدلهای فعلی فیزیک پلاسما و مشاهدات ارائهشده توسط EHT را برجسته میکند. چیل و تیمش در ادامه قصد دارند کد شبیهسازی خود را روی دادههای بیشتری از M87 اعمال کنند تا یک فیلم بسازند که تکامل سیاهچاله را در طول زمان دنبال کند.
در ژانویه، چیل و همکارانش مطالعهای انجام دادند که در آن تصویر EHT از سیاهچاله M87 با مجموعه گستردهای از شبیهسازیها، با استفاده از ابررایانههای Stampede2 و Jetstream، مقایسه شد. نتایج نشان داد که هرچند اندازه و ساختار «سایه» سیاهچاله ابرپرجرم ثابت میماند، اما در جزئیات تغییر میکند. همچنین مشخص شد که روشنترین نقطه در حلقه فوتونی (photon ring) در طول زمان جابهجا میشود که علت آن فرآیندهای آشفته و پویا در جریانهای پلاسما نزدیک افق رویداد است. با گرم و سرد شدن نواحی مختلف پلاسما، ظاهر سیاهچاله تغییرات ظریفی پیدا میکند.
چیل گفت:
«سیاهچالهها محیطهایی فوقالعاده پیچیدهاند. بهترین ابزارهایی که در اختیار داریم، شبیهسازیهای ابررایانهای هستند. شگفتانگیز است که توانستهایم چنین رایانهها و کدهایی بسازیم که به ما امکان میدهند مدلهایی دقیق از اتفاقات این روابط عجیب و پیچیده بسازیم. شبیهسازیها به ما اطمینان میدهند که همه این اثرها را – که بهصورت پیچیده و گاهی غیرقابل پیشبینی با هم برهمکنش دارند – در نظر گرفتهایم.»
