經過十年的不斷進步，計算天體物理學家已經達到了黑洞研究的重要轉折點。一項新的研究提出了最詳細、最完整的發光黑洞吸積模型。這是黑洞吸引周圍物質的過程。並發出強烈的輻射。研究人員利用世界上最強大的超級計算機成功計算出物質如何流入黑洞。它考慮到了愛因斯坦的引力理論和輻射的重要作用。無需依賴更容易的快捷方式
這一成就標誌著首次在輻射主導條件下在完整的廣義相對論中進行此類計算。這些結果打開了一個新的窗口，讓我們了解黑洞在極端環境中的行為，這是以前無法模擬的。
誰領導了這項研究以及該研究在哪裡發表？
該研究發表於 天體物理學雜誌 由來自高等研究院和熨斗研究所計算天體物理中心的科學家領導。這是介紹該團隊新計算框架的一系列計劃中的第一份報告。並應用於各種類型的黑洞系統。
“這是我們第一次看到當黑洞吸積中最重要的物理過程正確組合在一起時會發生什麼。這些系統是極其非線性的。任何太容易做出的假設都可能完全改變結果。最令人興奮的是，我們的模擬現在在天空中看到的黑洞系統中產生了非常一致的行為。從極亮的X射線源到X射線雙星，從某種意義上說，我們可以‘觀察’它們。不是通過望遠鏡，而是通過計算機，”主要作者李忠說。張。
張先生是高等研究院自然科學學院博士後研究員。和熨斗研究所的計算天體物理中心。他在 IAS 的第一年（2023-24 年）開始了這個項目，並繼續在 Flatiron 工作。
為什麼黑洞模型需要相對論和輻射理論？
任何現實的黑洞模型都必須有廣義相對論。由於這些物體的強大引力，空間和時間被嚴重扭曲。但僅靠重力是不夠的。當大量物質落入黑洞時，大量能量以輻射的形式釋放出來。準確跟踪輻射如何穿過彎曲的時空並與附近的氣體相互作用。這對於理解天文學家實際觀察到的內容至關重要。
到目前為止，模擬還無法處理這些影響。完美結合就像一個簡單的課堂模型，只捕獲了實際系統的一部分。以前的方法依賴於使計算易於管理但不完善的假設。
“以前的方法使用了將輻射視為流體的近似值。這並不能反映其實際行為，”張解釋道。
無需捷徑即可求解完整方程
這些近似曾經是不可避免的，因為底層方程非常複雜並且需要大量的計算資源。通過結合多年來開發的見解，該團隊創建了一種新算法，可以直接求解這些方程而無需外推。
“我們的算法是目前唯一可以通過廣義相對論中的輻射處理來提供解決方案的算法，”張說。
這一突破使得研究人員能夠以前所未有的真實程度模擬黑洞環境。
關注恆星質量黑洞
該研究的重點是恆星質量黑洞。通常質量約為太陽的 10 倍。這些物體比銀河系中心的超大質量黑洞 Sgr A* 小得多。但學習有其獨特的優勢。
儘管天文學家已經創建了超大質量黑洞的詳細圖像，但恆星質量黑洞看起來就像小光點。科學家必須分析發射到光譜部分的光。這揭示了能量在黑洞周圍的分佈情況。這是因為恆星質量黑洞在幾分鐘到幾小時內演化。因此，研究人員可以實時觀察快速變化，而不是幾年或幾個世紀。
與實際觀察相符的模擬
研究人員使用新模型來追踪物質如何向內螺旋形成一個圓盤，其周圍主要包含輻射和湍流。恆星質量黑洞模擬還顯示出向外吹的強風，在某些情況下還會形成強大的噴流。
至關重要的是，模擬的光譜與天文學家從真實係統中觀察到的光譜非常吻合。這種強烈的一致性使得我們可以從有限的觀測數據中得出更自信的結論。並使科學家更好地了解這些遙遠物體的工作原理。
超級計算機推動進步
高等教育機構在通過計算機建模推動科學發展方面有著悠久的歷史。早期的重要事件之一是由創始教授（1933-55）約翰·馮·諾依曼領導的電子計算機項目，該項目影響了許多領域。從流體動力學到氣候科學和核物理學。
為了延續這一傳統，張和他的同事被允許使用世界上最強大的兩台超級計算機：橡樹嶺國家實驗室的 Frontier 和阿貢國家實驗室的 Aurora。這些百億億級機器每秒可以執行萬億分之一的計算，覆蓋數千平方英尺。它讓人想起最早的巨型計算機之一。
熨斗研究所和普林斯頓大學的克里斯托弗·懷特表示，利用這種處理能力需要復雜的數學和專門為該任務設計的軟件。自然科學學院研究員、目前在洛斯阿拉莫斯國家實驗室工作的帕特里克·馬倫 (Patrick Mullen) 領導了輻射傳輸算法的開發，他領導了將該算法集成到 AthenaK 代碼中，該代碼已針對百億億次系統進行了優化。
黑洞研究的下一步是什麼？
該團隊計劃測試他們的方法是否可以應用於所有類型的黑洞。除了恆星質量系統之外，這些模擬還可能為超大質量黑洞提供新的線索。它在星系的形成中發揮著重要作用，未來的工作將進一步完善輻射如何在廣泛的溫度和密度範圍內與物質相互作用。
“這個項目的獨特之處在於，我們投入了時間和精力來開發能夠模擬這些複雜系統的應用數學和軟件。反之亦然。世界上最大的超級計算機有非常大的分配來執行這些計算，”合著者、高級研究所自然科學研究所教授詹姆斯·斯通說。 “現在的工作是理解由此產生的所有科學知識。
