日本东北大学和宇都宫大学的研究人员利用最先进的超级计算机进行了迄今为止最高分辨率的模拟，在理解黑洞周围吸积盘结构中湍流的复杂性质方面取得了突破。

超级计算机模拟揭示黑洞吸积盘湍流的本质

顾名思义，吸积盘是一种盘状气体，以螺旋形式向内朝向中心黑洞旋转。

人们对黑洞独特而极端的特性的研究兴趣浓厚。然而，黑洞不允许光逃逸，因此无法被望远镜直接观测到。

为了探测和研究黑洞，我们转而观察它们如何影响周围环境。吸积盘是间接观察黑洞影响的一种方式，因为它们发出的电磁辐射可以通过望远镜看到。

“准确模拟吸积盘的行为极大地促进了我们对黑洞周围物理现象的理解，”YoheiKawazura解释道，“它为解释事件视界望远镜的观测数据提供了关键的见解。”

研究人员利用理化学研究所的Fugaku(截至2022年世界上最快的计算机)和日本国家天文台的ATERUIII等超级计算机进行了前所未有的高分辨率模拟。

该研究于2024年8月28日发表在《科学进展》上。

吸积盘中磁旋转湍流的空间结构(模型)。(A)显示流动，(B)显示磁场强度。白线代表典型的磁场线。图片来源：YoheiKawazura;摘自《科学进展》(2024年)。DOI：10.1126/sciadv.adp4965

虽然之前曾有过吸积盘的数值模拟，但由于计算资源不足，没有一个模拟能够观测到惯性范围。这项研究首次成功再现了吸积盘湍流中连接大漩涡和小漩涡的“惯性范围”。

研究还发现，“慢磁声波”主导着这一范围。这一发现解释了为什么离子在吸积盘中被选择性加热。吸积盘中的湍流电磁场与带电粒子相互作用，可能将一些粒子加速到极高的能量。

在磁流体力学中，磁声波(慢速和快速)和阿尔文波构成了波的基本类型。研究发现，慢速磁声波在惯性范围内占主导地位，携带的能量约为阿尔文波的两倍。该研究还强调了吸积盘湍流和太阳风湍流之间的根本区别，阿尔文波在太阳风湍流中占主导地位。

这一进展有望改善针对黑洞附近区域的射电望远镜观测数据的物理解释。