首次模擬黑洞邊緣的暗影領(lǐng)域

這事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT） 于 2019 年發(fā)布了有史以來(lái)第一張圖像，在全球范圍內(nèi)建立了聲譽(yù)黑洞.這是由科學(xué)實(shí)現(xiàn)的超長(zhǎng)基線干涉測(cè)量（VLBI），一種技術(shù)，其中多個(gè)儀器收集光線以創(chuàng)建物體外觀的完整圖片。

在這種情況下，圖像是位于梅西耶 87 中心的超大質(zhì)量黑洞 （SMBH），梅西耶 87 是一個(gè)距離地球 5500 萬(wàn)光年的大質(zhì)量星系。接下來(lái)是來(lái)自兩個(gè)明亮星系的相對(duì)論噴流的圖像，以及位于銀河系中心的 SMBH 射手座 A* 的圖像。

與此同時(shí)，EHT 合作組織的科學(xué)家們正在利用超級(jí)計(jì)算機(jī)模擬來(lái)加深他們對(duì)外部邊界之外的環(huán)境的理解黑洞（又名事件視界）。

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其中包括由普林斯頓大學(xué)副研究學(xué)者、普林斯頓重力計(jì)劃.他和他的團(tuán)隊(duì)使用踩踏事件2和踩踏事件3超級(jí)計(jì)算機(jī)德克薩斯高級(jí)計(jì)算中心（TACC）。

生成的圖像（上圖）顯示了來(lái)自熱電子的光如何盤(pán)旋到黑洞的“陰影”之外。

Chael 的研究小組是眾多使用先進(jìn)模擬來(lái)模擬黑洞陰影動(dòng)力學(xué)的小組之一，包括高能等離子體、磁場(chǎng)和強(qiáng)大的引力。所有這些都在一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)中相互作用，使黑洞能夠吸積周圍落入的物質(zhì)，釋放出大量的輻射，并產(chǎn)生可以延伸數(shù)百萬(wàn)光年的相對(duì)論噴流。

模擬包括 11 個(gè)一般相對(duì)論磁流體動(dòng)力學(xué)模擬（GRMHDS），它采用流體動(dòng)力學(xué)方法來(lái)模擬等離子體與重力和磁力線相互作用。

“自從我們制作出第一張黑洞圖像以來(lái)，我們一直在做很多工作來(lái)試圖了解黑洞周圍的環(huán)境，”查爾在一份聲明中說(shuō)TACC 新聞稿。

“我們想了解黑洞正在吃的等離子體粒子的性質(zhì)，以及磁場(chǎng)與 M87 中發(fā)射巨大、發(fā)光的亞原子粒子射流的等離子體混合的細(xì)節(jié)?！?/p>

從研究生院開(kāi)始，Chael 就一直在使用 Extreme Science and Engineering Discovery Environment （XSEDE） 和 TACC 提供的資源進(jìn)行模擬高級(jí)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施協(xié)調(diào)生態(tài)系統(tǒng)：服務(wù)與支持（ACCESS） 程序。由于他和他的團(tuán)隊(duì)使用自己的代碼取得了最近的進(jìn)展，他們的模擬超越了將帶電質(zhì)子和電子視為單個(gè)實(shí)體的傳統(tǒng)模型。

“這篇論文是第一次嘗試使用更先進(jìn)的，”添加Chael，“直接對(duì)電子和質(zhì)子的這些獨(dú)立粒子物種進(jìn)行建模，以試圖了解它們?nèi)绾蜗嗷プ饔?，特別是兩者的相對(duì)溫度是多少，這是一種計(jì)算成本更高的技術(shù)。

他們的模擬表明，M87 周圍電子的溫度比之前認(rèn)為的要高得多，比質(zhì)子低約 100 倍。這很重要，因?yàn)檫@些和質(zhì)子之間的溫差決定了圖像中的亮度和其他特性。

因此，結(jié)果凸顯了等離子體物理學(xué)中的當(dāng)前模型與 EHT 提供的觀測(cè)結(jié)果之間的基本緊張關(guān)系。展望未來(lái)，Chael 和他的團(tuán)隊(duì)計(jì)劃將他們的模擬代碼應(yīng)用于 M87 的更多 EHT 數(shù)據(jù)，以制作一部跟蹤其隨時(shí)間演變的電影。

Chael 和他的團(tuán)隊(duì)在 1 月份進(jìn)行的一項(xiàng)研究將 EHT 的 M87 黑洞圖像與使用 Stampede2 和急流超級(jí)計(jì)算機(jī)。這些表明，雖然 SMBH 的“影子”的大小和結(jié)構(gòu)保持一致，但它可能會(huì)發(fā)生變化。

他們進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，光子環(huán)上最亮的點(diǎn)會(huì)隨著時(shí)間的推移而移動(dòng)，因?yàn)槭录暯绺浇膭?dòng)態(tài)等離子體流存在混亂過(guò)程。隨著各種等離子體區(qū)域的升溫和冷卻，黑洞的外觀會(huì)隨著時(shí)間的推移而發(fā)生細(xì)微的變化。

“黑洞是極其復(fù)雜的環(huán)境。我們擁有的最好的可用工具是超級(jí)計(jì)算模擬。令人驚奇的是，我們能夠構(gòu)建這些計(jì)算機(jī)和代碼，使我們能夠?yàn)槿绱似婀侄鴱?fù)雜的關(guān)系中發(fā)生的事情創(chuàng)建準(zhǔn)確的模型。說(shuō)查爾。

“模擬讓我們相信我們正在考慮所有這些影響，這些影響都以復(fù)雜且有時(shí)不可預(yù)測(cè)的方式相互作用?！?/p>

本文最初發(fā)表于今日宇宙.讀原文.

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