這個模擬揭示了黑洞附近實際發生的情況

這一成就代表了首次在輻射主導條件下在完全廣義相對論中進行此類計算。這些結果為了解黑洞在極端環境中的行為打開了一個新的窗口，而這在以前是無法模擬的。

誰領導了這項研究以及該研究的發表地點

該研究發表於 天體物理學雜誌 它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。它是計劃系列中的第一篇論文，該系列將介紹該團隊的新計算框架並將其應用於不同類型的黑洞系統。

“這是我們第一次能夠準確地看到當黑洞吸積中最重要的物理過程被包括在內時會發生什麼。這些系統是高度非線性的——任何過度簡化的假設都可能完全改變結果。更令人興奮的是，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，從超亮的 X 射線源到 X 射線雙星。從某種意義上說，我們已經能夠不通過望遠鏡“觀察”這些系統，而是通過通過望遠鏡，”主要作者張立中說。

張是高等研究院自然科學學院和熨斗研究所計算天體物理中心的博士後研究員。他在 IAS 的第一年（2023-24 年）啟動了該項目，並繼續在 Flatiron 工作。

為什麼黑洞模型需要相對論和輻射？

任何現實的黑洞模型都必須結合廣義相對論，因為這些物體的強烈引力以極端的方式彎曲空間和時間。但僅靠重力是不夠的。當大量物質落向黑洞時，巨大的能量以輻射的形式釋放出來。仔細跟踪這種輻射如何穿過彎曲的時空並與附近的氣體相互作用對於了解天文學家實際觀察到的內容至關重要。

迄今為止，模擬還無法完全處理這種效應的組合。就像僅捕獲真實係統的一部分的簡化課堂模型一樣，以前的方法依賴於使計算易於管理但不完整的假設。

“以前的方法使用近似值，將輻射視為一種流體，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

這些近似值以前是不可避免的，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想法，該團隊創建了能夠直接求解這些方程的新算法，無需任何近似。

“我們的算法是目前唯一通過操縱輻射提供解決方案的算法，就像廣義相對論中的實際情況一樣，”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。

聚焦恆星質量黑洞

這項研究的重點是恆星質量黑洞，其質量通常約為太陽質量的 10 倍。這些天體比銀河系中心的超大質量黑洞 Sgr A* 小得多，但它們為研究提供了獨特的優勢。

雖然天文學家已經製作出了超大質量黑洞的詳細圖像，但恆星質量黑洞僅顯示為微小的光點。科學家必須將發射的光分成光譜來分析，從而揭示能量在黑洞周圍的分佈情況。由於恆星質量黑洞的演化需要幾分鐘到幾小時，而不是幾年或幾個世紀，因此研究人員可以實時觀察快速變化。

與真實觀察相匹配的模擬

利用他們的新模型，研究人員追踪了物質如何向內漂移，在恆星質量黑洞周圍形成湍流、以輻射為主的圓盤。模擬還表明，強風向外流動，在某些情況下會形成強大的噴射流。

最重要的是，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，並加深科學家對這些遙遠物體如何工作的理解。

超級計算機支持黑客攻擊

高等研究院在通過計算機建模推動科學發展方面有著悠久的歷史。早期的里程碑是由創始教授約翰·馮·諾依曼（John von Neumann，1933-1955 年）領導的電子計算機項目，該項目影響了從流體動力學到氣候科學和核物理等領域。

延續這一傳統，張和他的同事獲得了使用世界上最強大的兩台超級計算機的機會，即橡樹嶺國家實驗室的 Frontier 和阿貢國家實驗室的 Aurora。這些百億億次計算機每秒可以執行五萬億次計算，佔用數千平方英尺，這表明第一台計算機的尺寸巨大。

利用這種計算能力需要復雜的數學和專門為該任務設計的軟件。熨斗研究所和普林斯頓大學的克里斯托弗·懷特領導了輻射傳輸算法的開發。 Patrick Mullen 是洛斯阿拉莫斯國家實驗室自然科學學院的成員 (2021-22)，他領導將該算法集成到 AthenaK 代碼中，該代碼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，超大質量黑洞在星系形成中發揮著核心作用。未來的工作將改善輻射在廣泛的溫度和密度範圍內與物質的相互作用。

“這個項目的獨特之處在於，一方面，它需要花費時間和精力來開發能夠對這些複雜系統進行建模的應用數學和軟件，另一方面，需要大量配置世界上最大的超級計算機來執行這些計算，”高級研究所自然科學學院的合著者兼教授詹姆斯·斯通說。 “現在的任務是理解由此產生的所有科學知識。