首次模擬黑洞邊緣的暗影領域

這事件視界望遠鏡（EHT） 于 2019 年發(fā)布了有史以來第一張圖像，在全球范圍內建立了聲譽黑洞.這是由科學實現(xiàn)的超長基線干涉測量（VLBI），一種技術，其中多個儀器收集光線以創(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 中心的超大質量黑洞 （SMBH），梅西耶 87 是一個距離地球 5500 萬光年的大質量星系。接下來是來自兩個明亮星系的相對論噴流的圖像，以及位于銀河系中心的 SMBH 射手座 A* 的圖像。

與此同時，EHT 合作組織的科學家們正在利用超級計算機模擬來加深他們對外部邊界之外的環(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副研究學者、普林斯頓重力計劃.他和他的團隊使用踩踏事件2和踩踏事件3超級計算機德克薩斯高級計算中心（TACC）。

生成的圖像（上圖）顯示了來自熱電子的光如何盤旋到黑洞的“陰影”之外。

Chael 的研究小組是眾多使用先進模擬來模擬黑洞陰影動力學的小組之一，包括高能等離子體、磁場和強大的引力。所有這些都在一個復雜的系統(tǒng)中相互作用，使黑洞能夠吸積周圍落入的物質，釋放出大量的輻射，并產(chǎn)生可以延伸數(shù)百萬光年的相對論噴流。

模擬包括 11 個一般相對論磁流體動力學模擬（GRMHDS），它采用流體動力學方法來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，我們一直在做很多工作來試圖了解黑洞周圍的環(huán)境，”查爾在一份聲明中說TACC 新聞稿。

“我們想了解黑洞正在吃的等離子體粒子的性質，以及磁場與 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節(jié)?！?/p>

從研究生院開始，Chael 就一直在使用 Extreme Science and Engineering Discovery Environment （XSEDE） 和 TACC 提供的資源進行模擬高級網(wǎng)絡基礎設施協(xié)調生態(tài)系統(tǒng)：服務與支持（ACCESS） 程序。由于他和他的團隊使用自己的代碼取得了最近的進展，他們的模擬超越了將帶電質子和電子視為單個實體的傳統(tǒng)模型。

“這篇論文是第一次嘗試使用更先進的，”添加Chael，“直接對電子和質子的這些獨立粒子物種進行建模，以試圖了解它們如何相互作用，特別是兩者的相對溫度是多少，這是一種計算成本更高的技術。

他們的模擬表明，M87 周圍電子的溫度比之前認為的要高得多，比質子低約 100 倍。這很重要，因為這些和質子之間的溫差決定了圖像中的亮度和其他特性。

因此，結果凸顯了等離子體物理學中的當前模型與 EHT 提供的觀測結果之間的基本緊張關系。展望未來，Chael 和他的團隊計劃將他們的模擬代碼應用于 M87 的更多 EHT 數(shù)據(jù)，以制作一部跟蹤其隨時間演變的電影。

Chael 和他的團隊在 1 月份進行的一項研究將 EHT 的 M87 黑洞圖像與使用 Stampede2 和急流超級計算機。這些表明，雖然 SMBH 的“影子”的大小和結構保持一致，但它可能會發(fā)生變化。

他們進一步發(fā)現(xiàn)，光子環(huán)上最亮的點會隨著時間的推移而移動，因為事件視界附近的動態(tài)等離子體流存在混亂過程。隨著各種等離子體區(qū)域的升溫和冷卻，黑洞的外觀會隨著時間的推移而發(fā)生細微的變化。

“黑洞是極其復雜的環(huán)境。我們擁有的最好的可用工具是超級計算模擬。令人驚奇的是，我們能夠構建這些計算機和代碼，使我們能夠為如此奇怪而復雜的關系中發(fā)生的事情創(chuàng)建準確的模型。說查爾。

“模擬讓我們相信我們正在考慮所有這些影響，這些影響都以復雜且有時不可預測的方式相互作用?！?/p>

本文最初發(fā)表于今日宇宙.讀原文.

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