超级计算机如何破解黑洞吸积盘动力学之谜

几乎在每个星系的中心，都存在着一个神秘的天体——黑洞。

这些宇宙巨兽的密度极大，任何东西，就连光也无法逃脱其引力。

但尽管它们看似难以捉摸，但其影响却能通过环绕它们的旋转气体盘来观测。

东北大学和宇都宫大学的一组研究人员开展了一项深入研究，旨在了解这些吸积盘内的复杂湍流。

他们借助强大的超级计算机，对这些宇宙结构进行了有史以来分辨率最高的模拟。

“准确模拟吸积盘的行为极大地增进了我们对黑洞周边物理现象的理解。”Yohei Kawazura 说道，“它为解读事件视界望远镜的观测数据提供了关键的见解。”

黑洞无法通过地面或太空望远镜直接探测到。但是围绕它们运行的气体、等离子体和尘埃的吸积盘会发出可探测的电磁辐射，这使得天文学家能够推断出黑洞的存在。

此过程会产生强烈的湍流，这一直是一个研究起来颇具挑战性的现象。

先前的模拟因计算能力受限，但这项新研究取得了突破性进展。

研究人员借助了诸如日本理化学研究所的“富岳”和日本国立天文台的“ATERUI II”等超级计算机的计算能力。有趣的是，富岳在 2022 年之前一直是世界上最快的计算机。

这两者相结合，使得研究人员能够以前所未有的高分辨率进行模拟。

凭借综合力量，研究人员首次能够重现“吸积盘湍流中连接大涡与小涡的惯性范围”。

吸积盘湍流中的惯性范围指的是存在于磁盘湍流中的特定的尺度或涡旋（即漩涡模式）大小的范围。此外，吸积盘依靠湍流产生粘性，这种特性允许物质流动并向中心黑洞传输。

除此之外，模拟显示“慢磁声波”在吸积盘湍流的惯性范围中占主导地位。这种波通过磁化等离子体传播。

这一发现表明，这些波在这个特定的尺度范围内携带了大部分能量。

“这一发现说明了为何离子在吸积盘中会被有选择地加热。”新闻稿解释道。

有趣的是，该团队注意到这些慢波所携带的能量“约为阿尔文波的两倍”。

阿尔文波是等离子体中因磁场与其内部电流相互作用而产生的一种波。据新闻稿所述，阿尔文波在太阳风湍流中大多占据主导地位。

研究人员着重指出，这项研究对于我们理解黑洞及其环境具有重大意义。它将帮助他们解读来自像事件视界望远镜这样的望远镜的数据，该望远镜已经捕捉到了黑洞的图像。

“这种进步预计会改善针对黑洞附近区域的射电望远镜观测数据的物理解释，”他们在新闻声明中指出。

最近，事件视界望远镜合作组织宣布了地球上有史以来对黑洞的最高分辨率观测。

凭借这一成就，EHT 计划在未来拍摄清晰度提高 50%的黑洞图像。

这些发现发表于《科学进展》杂志