首次模拟黑洞边缘的暗影领域

这事件视界望远镜（EHT） 于 2019 年发布了有史以来第一张图像，在全球范围内建立了声誉黑洞.这是由科学实现的超长基线干涉测量（VLBI），一种技术，其中多个仪器收集光线以创建物体外观的完整图片。

在这种情况下，图像是位于梅西耶 87 中心的超大质量黑洞 （SMBH），梅西耶 87 是一个距离地球 5500 万光年的大质量星系。接下来是来自两个明亮星系的相对论喷流的图像，以及位于银河系中心的 SMBH 射手座 A* 的图像。

与此同时，EHT 合作组织的科学家们正在利用超级计算机模拟来加深他们对外部边界之外的环境的理解黑洞（又名事件视界）。

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其中包括由普林斯顿大学副研究学者、普林斯顿重力计划.他和他的团队使用踩踏事件2和踩踏事件3超级计算机德克萨斯高级计算中心（TACC）。

生成的图像（上图）显示了来自热电子的光如何盘旋到黑洞的“阴影”之外。

Chael 的研究小组是众多使用先进模拟来模拟黑洞阴影动力学的小组之一，包括高能等离子体、磁场和强大的引力。所有这些都在一个复杂的系统中相互作用，使黑洞能够吸积周围落入的物质，释放出大量的辐射，并产生可以延伸数百万光年的相对论喷流。

模拟包括 11 个一般相对论磁流体动力学模拟（GRMHDS），它采用流体动力学方法来模拟等离子体与重力和磁力线相互作用。

“自从我们制作出第一张黑洞图像以来，我们一直在做很多工作来试图了解黑洞周围的环境，”查尔在一份声明中说TACC 新闻稿。

“我们想了解黑洞正在吃的等离子体粒子的性质，以及磁场与 M87 中发射巨大、发光的亚原子粒子射流的等离子体混合的细节。”

从研究生院开始，Chael 就一直在使用 Extreme Science and Engineering Discovery Environment （XSEDE） 和 TACC 提供的资源进行模拟高级网络基础设施协调生态系统：服务与支持（ACCESS） 程序。由于他和他的团队使用自己的代码取得了最近的进展，他们的模拟超越了将带电质子和电子视为单个实体的传统模型。

“这篇论文是第一次尝试使用更先进的，”添加Chael，“直接对电子和质子的这些独立粒子物种进行建模，以试图了解它们如何相互作用，特别是两者的相对温度是多少，这是一种计算成本更高的技术。

他们的模拟表明，M87 周围电子的温度比之前认为的要高得多，比质子低约 100 倍。这很重要，因为这些和质子之间的温差决定了图像中的亮度和其他特性。

因此，结果凸显了等离子体物理学中的当前模型与 EHT 提供的观测结果之间的基本紧张关系。展望未来，Chael 和他的团队计划将他们的模拟代码应用于 M87 的更多 EHT 数据，以制作一部跟踪其随时间演变的电影。

Chael 和他的团队在 1 月份进行的一项研究将 EHT 的 M87 黑洞图像与使用 Stampede2 和急流超级计算机。这些表明，虽然 SMBH 的“影子”的大小和结构保持一致，但它可能会发生变化。

他们进一步发现，光子环上最亮的点会随着时间的推移而移动，因为事件视界附近的动态等离子体流存在混乱过程。随着各种等离子体区域的升温和冷却，黑洞的外观会随着时间的推移而发生细微的变化。

“黑洞是极其复杂的环境。我们拥有的最好的可用工具是超级计算模拟。令人惊奇的是，我们能够构建这些计算机和代码，使我们能够为如此奇怪而复杂的关系中发生的事情创建准确的模型。说查尔。

“模拟让我们相信我们正在考虑所有这些影响，这些影响都以复杂且有时不可预测的方式相互作用。”

本文最初发表于今日宇宙.读原文.

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