超级计算机为黑洞喷气机提供了新的视角 2017-05-03 05:21:56

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通过首次超级计算机模拟,包括西北大学教授在内的研究人员对现代天文学中最神秘的现象之一获得了新的认识:从黑洞射出的相对论喷流的行为,向外延伸数百万光年使用世界上最强大的超级计算机之一创建的高级模拟显示,由于时空被拖入黑洞的旋转,喷气式飞机的流量逐渐改变天空或进动的方向

这种行为与阿尔伯特爱因斯坦的对齐关于旋转黑洞附近的极端重力的预测,发表在他着名的广义相对论中:“了解旋转黑洞如何拖动它们周围的时空以及这个过程如何影响我们通过望远镜看到的东西仍然是一个关键的,难以破解的难题,“西北大学Weinberg物理与天文学助理教授Alexander Tchekhovskoy说艺术与科学学院“幸运的是,代码开发的突破和超级计算机架构的飞跃使我们越来越接近寻找答案”该研究发表在皇家天文学会月刊上,是Tchekhovskoy,Matthew Liska的合作和Casper Hesp Liska和Hesp是该研究的主要作者和荷兰阿姆斯特丹大学的研究生快速旋转黑洞不仅吞噬物质而且以相对论喷射的形式释放能量类似于浴缸中的水形成漩涡的方式它沿着一个排水管,气体和磁场供给一个超大质量的黑洞漩涡形成一个旋转的圆盘 - 一个纠结的磁场线意大利面条混合成一股热气体由于黑洞消耗这种天体物理汤,它吞噬了肉汤却让磁性意大利面从嘴里垂下来这使黑洞变成了一种发射垫gy,以相对论喷气式飞机的形式,从扭曲的磁性意大利面网拍摄这个使用Blue Waters超级计算机进行的模拟是有史以来第一次证明相对论喷气机随着黑洞周围的倾斜吸积盘的进动而进行的模拟At接近十亿计算单元,它是有史以来获得的黑洞的最高分辨率模拟黑洞发射的喷流比黑洞本身更容易研究,因为喷射是如此之大这项研究使天文学家能够快速了解喷射方向正在改变,它揭示了黑洞旋转的信息以及旋转盘的方向和大小以及黑洞吸积的其他难以测量的特性而几乎所有先前的模拟都考虑了对齐盘,实际上,大多数星系'中央超大质量黑洞被认为是托盘倾斜 - 意味着盘旋转与黑洞本身分开的轴这项研究证实,如果倾斜,磁盘会改变相对于黑洞的方向,像旋转顶部一样旋转进行第一次,模拟显示这种倾斜的磁盘导致进动喷嘴周期性地改变它们天空中的方向前面没有发现喷射进气的一个重要原因是快速旋转黑洞周围区域的三维模拟需要大量的计算能力为了解决这个问题,研究人员构建了第一个黑洞模拟代码加速通过图形处理单元(GPU)国家科学基金会的资助使他们能够对位于伊利诺伊大学的世界上最大的超级计算机之一Blue Waters进行模拟

将低分辨率模拟(左)与使用Blue Waters(右)生成的高分辨率模拟显示了分辨率对倾斜吸积模型T的影响高分辨率模型显示由于磁湍流导致磁盘扩展导致进动和对齐速度减慢快速代码(有效使用尖端GPU架构)与Blue Waters超级计算机的融合使团队能够进行模拟具有最高分辨率 - 高达10亿个计算单元 “高分辨率使我们第一次能够确保在我们的模型中准确捕捉到小规模的湍流盘运动,”Tchekhovskoy说:“令我们惊讶的是,这些动作结果非常强大,以至于它们导致磁盘胖子和盘子进动停止这表明岁差可能会爆发“因为黑洞的增加是一个类似于飓风​​的高度复杂的系统,但位于如此遥远的地方我们无法辨别许多细节,模拟提供了一种强大的方式了解望远镜观察和了解黑洞的行为模拟结果对于进一步研究涉及旋转黑洞非常重要,这些研究目前正在世界各地进行

通过这些努力,天文学家试图了解最近发现的现象,如第一次从中子星碰撞和伴随的电磁烟花以及常规的探测中引力波恒星被超大质量黑洞吞噬计算也被应用于解释事件地平线望远镜(EHT)的观测,它捕获了银河系中心超大质量黑洞阴影的第一个记录

此外,喷气机的进动可以解释来自黑洞周围的光强度的波动,称为准周期振荡(QPO)这种振荡的发生方式类似于灯塔的旋转光束在观察者通过时强度增加的方式QPO首先出现1985年由Michiel van der Klis(阿姆斯特丹大学)发现黑洞附近(作为X射线),他是新文章出版物的合着者:M Liska等人,“倾斜黑洞形成前驱喷射三维广义相对论MHD模拟中的光盘,“MNRAS,2018; doi:101093 / mnrasl / slx174资料来源:西北大学