超級計算機如何破解黑洞吸積盤動力學之謎

幾乎在每個星系的中心，都存在着一個神秘的天體——黑洞。

這些宇宙巨獸的密度極大，任何東西，就連光也無法逃脫其引力。

但儘管它們看似難以捉摸，但其影響卻能通過環繞它們的旋轉氣體盤來觀測。

東北大學和宇都宮大學的一組研究人員開展了一項深入研究，旨在瞭解這些吸積盤內的複雜湍流。

他們藉助強大的超級計算機，對這些宇宙結構進行了有史以來分辨率最高的模擬。

“準確模擬吸積盤的行爲極大地增進了我們對黑洞周邊物理現象的理解。”Yohei Kawazura 說道，“它爲解讀事件視界望遠鏡的觀測數據提供了關鍵的見解。”

黑洞無法通過地面或太空望遠鏡直接探測到。但是圍繞它們運行的氣體、等離子體和塵埃的吸積盤會發出可探測的電磁輻射，這使得天文學家能夠推斷出黑洞的存在。

此過程會產生強烈的湍流，這一直是一個研究起來頗具挑戰性的現象。

先前的模擬因計算能力受限，但這項新研究取得了突破性進展。

研究人員藉助了諸如日本理化學研究所的“富嶽”和日本國立天文臺的“ATERUI II”等超級計算機的計算能力。有趣的是，富嶽在 2022 年之前一直是世界上最快的計算機。

這兩者相結合，使得研究人員能夠以前所未有的高分辨率進行模擬。

憑藉綜合力量，研究人員首次能夠重現“吸積盤湍流中連接大渦與小渦的慣性範圍”。

吸積盤湍流中的慣性範圍指的是存在於磁盤湍流中的特定的尺度或渦旋（即漩渦模式）大小的範圍。此外，吸積盤依靠湍流產生粘性，這種特性允許物質流動並向中心黑洞傳輸。

除此之外，模擬顯示“慢磁聲波”在吸積盤湍流的慣性範圍中占主導地位。這種波通過磁化等離子體傳播。

這一發現表明，這些波在這個特定的尺度範圍內攜帶了大部分能量。

“這一發現說明了爲何離子在吸積盤中會被有選擇地加熱。”新聞稿解釋道。

有趣的是，該團隊注意到這些慢波所攜帶的能量“約爲阿爾文波的兩倍”。

阿爾文波是等離子體中因磁場與其內部電流相互作用而產生的一種波。據新聞稿所述，阿爾文波在太陽風湍流中大多佔據主導地位。

研究人員着重指出，這項研究對於我們理解黑洞及其環境具有重大意義。它將幫助他們解讀來自像事件視界望遠鏡這樣的望遠鏡的數據，該望遠鏡已經捕捉到了黑洞的圖像。

“這種進步預計會改善針對黑洞附近區域的射電望遠鏡觀測數據的物理解釋，”他們在新聞聲明中指出。

最近，事件視界望遠鏡合作組織宣佈了地球上有史以來對黑洞的最高分辨率觀測。

憑藉這一成就，EHT 計劃在未來拍攝清晰度提高 50%的黑洞圖像。

這些發現發表於《科學進展》雜誌