最早计算机发现黑洞,40年的黑洞之谜被最详细的模拟所解开

这张图片显示了吸积盘的内部区域(红色)如何与黑洞的赤道平面对齐。外盘是倾斜的。内盘(黑色曲线下降的地方)是水平的，表示长期寻找的巴丁-佩特森对齐。一个由国际科学家组成的团队使用定制的代码和一台超级计算机，创建了迄今为止最详细、分辨率最高的黑洞模拟。这个模拟证实了关于吸积盘性质的理论预测，这一预测困扰了天体物理学家45年。

在这些发现中，来自西北大学、阿姆斯特丹大学和牛津大学的计算天体物理学家团队发现，吸积盘最内部的区域与黑洞赤道一致。

这一发现解开了一个长期以来的谜团，最初是由诺贝尔奖得主物理学家约翰·巴丁和天体物理学家雅各布·佩特森在1975年提出的。当时，巴丁和佩特森认为，旋转的黑洞会导致倾斜吸积盘的内部区域与黑洞的赤道平面对齐。

虽然这看起来有点令人困惑和无关紧要，但这个区域是如何被黑洞扭曲的，可能会对整个星系产生巨大的影响。在一项新的研究中，模拟发现，尽管吸积盘的外部区域保持倾斜，但其内部区域与黑洞保持一致。光滑的经纱连接着内外两部分。

此外，该研究详细介绍了该理论的一个模拟解决方案——被称为巴丁-佩特森效应，并解决了困扰天文学家40多年的一个问题。

研究小组通过将吸积盘稀释到前所未有的程度，包括导致吸积盘产生的磁化湍流，解决了这个谜题。以前的模拟仅仅通过近似湍流的影响，就进行了实质性的简化。

西北大学的Alexander Tchekhovskoy是这项研究的负责人之一。黑洞周围的这些细节可能看起来很小，但它们对整个星系发生的事情有着巨大的影响。他们控制着黑洞的旋转速度，因此，他们控制着黑洞对整个星系的影响。”

科学家们使用图形处理单元来开发他们的模拟代码。

切科夫斯科伊说：“一旦我们编写了代码，我们就需要找到一台足够大的超级计算机来进行模拟。美国国家科学基金会的超级计算机Blue Waters正适合这项任务。”

Blue Waters是一台非常强大的计算机，拥有1.5 pb的内存，位于伊利诺斯州厄巴纳-香槟市的伊利诺斯大学。

契霍夫斯科伊说：“我们在电脑里放了一个黑洞，然后往上面放气体。最初，气体围绕黑洞的轨道是一个相对于黑洞赤道倾斜的平面。然而，随着时间的推移，盘的内部区域与赤道平面对齐，揭示了这种对齐。”

模拟显示，吸积盘的内部区域与黑洞的赤道面一致，这标志着长期以来人们一直在寻找的巴丁-佩特森排列方式。

莱斯特大学的理论天体物理学家丽贝卡·尼隆说：“这些模拟的独特之处在于，它们同时处理了磁场、广义相对论效应和冷却功能。他们的研究结果显示了巴丁-佩特森效应，同时也包括了这些，这很好地证实了之前研究中发现的总体情况。”

契霍夫斯科伊报告说：“磁场是调节吸积盘弯曲和落入其中的关键因素。最终，研究人员发现，即使对于非常薄的吸积盘，提出的巴登-佩特森效应也成立——吸积盘确实与黑洞对齐。”

“圆盘与黑洞赤道平面的对齐是这项工作的新发现。在更大的半径处，圆盘相对于黑洞的赤道平面是倾斜的。”

“下一阶段的研究将着眼于辐射传输。从本质上说，研究小组将能够预测在这一过程中产生的光粒子会发生什么，这为天文学家通过望远镜观察这一现象提供了一种可能的方式。”

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