超级计算机模拟，揭开黑洞吸积盘湍流之谜

东北大学和宇都宫大学的研究人员在理解围绕黑洞、被称为吸积盘的结构中湍流的复杂性质方面取得了突破，他们使用最先进的超级计算机进行了迄今最高分辨率的模拟。

顾名思义，吸积盘是一种盘状的气体，朝着中心黑洞向内螺旋。

人们对研究黑洞独特且极端的特性兴致颇高。然而，黑洞不让光逃逸，所以无法被望远镜直接观测到。

为了探索黑洞并加以研究，我们转而观察它们如何影响周围环境。吸积盘便是一种间接观测黑洞影响的途径，因为它们会发出可被望远镜观测到的电磁辐射。

“对吸积盘行为的精确模拟极大地增进了我们对于黑洞周围物理现象的理解，”Yohei Kawazura 解释道，“它为解读事件视界望远镜的观测数据提供了关键的见解。”

研究人员利用超级计算机，如理化学研究所的富岳（截至 2022 年世界上最快的计算机）和日本气象厅的ATERUI II 进行了前所未有的高分辨率模拟实验。

这项研究于 2024 年 8 月 28 日发表在 《科学进展》 上。

尽管此前已有关于吸积盘的数值模拟，但因计算资源匮乏，无一能够观测到惯性范围。

这项研究首次成功再现了连接吸积盘湍流中大小漩涡的“惯性范围”。

还发现“慢磁声波”于这个范围内占据主导地位。

这一发现解释了离子在吸积盘中为何会被有选择地加热。

吸积盘中的湍动电磁场与带电粒子相互作用，有可能使一些粒子加速至极高的能量。

在磁流体动力学中，磁声波（慢波和快波）和阿尔文波构成了波的基本类型。研究发现，慢磁声波在惯性范围内占据主导地位，其所携带的能量约为阿尔文波的两倍。

这一进展有望改善对射电望远镜聚焦于黑洞附近区域的观测数据的物理解释。

在磁流体动力学中，磁声波（慢波和快波）和阿尔文波构成了波的基本类型。研究发现，慢磁声波在惯性范围内占据主导地位，其所携带的能量约为阿尔文波的两倍。

该研究还指出了吸积盘湍流和太阳风湍流之间的根本差异，即阿尔文波在太阳风湍流中占主导地位。

这一进展有望改善对射电望远镜聚焦于黑洞附近区域的观测数据的物理解释。