全球最強大超級計算機實現迄今最精確黑洞吸積模擬

研究團隊運用了兩臺能夠每秒進行百億億次運算的超級計算機。最近取得的一項突破中，一個計算天體物理學研究團隊構建出了迄今最全面的發光黑洞吸積模型。團隊使用了全球最強大的兩臺超級計算機"前沿"（Frontier）和"極光"（Aurora）計算物質流入黑洞的過程。這一新成就建立在數十年黑洞研究基礎上，為理解無數星系核心處的宇宙巨獸提供了新方法。

該團隊由高等研究院和弗拉鐵爾研究所計算天體物理中心的研究人員領銜，宣稱其模型實現了迄今最精確的黑洞吸積模擬。他們在《天體物理學雜志》新發表的論文中公布了這項成果。論文第一作者張立中（音譯）在新聞聲明中解釋："這是我們首次能夠準確看到包含黑洞吸積最重要物理過程時會發生什么。"

張立中繼續解釋道："這些系統具有極強的非線性特征——任何過度簡化的假設都可能徹底改變結果。最令人興奮的是，我們的模擬現在重現了天空中觀測到的黑洞系統間高度一致的行為模式，從超亮X射線源到X射線雙星系統。在某種意義上，我們成功實現了'不通過望遠鏡而是通過計算機'觀測這些系統。"

黑洞吸積是指黑洞通過捕獲周圍物質增加質量的過程。這些物質被吸入黑洞時，會形成旋轉的過熱盤狀結構，即吸積盤。事件視界望遠鏡團隊在2019年首次成功捕捉到這一著名景象。

黑洞的尺寸差異巨大。迄今觀測到最大的鳳凰座A星黑洞質量估計至少是太陽的1000億倍。由于這些令人費解的尺寸及模擬黑洞吸積的復雜性，以往模型都采用簡化方法來處理輻射流問題。張立中解釋道："以往方法采用近似處理，將輻射視為某種流體，這并不能反映其真實行為。"

研發新模型的團隊運用數十年積累的洞見開發了新算法，使他們無需近似處理就能解決這一問題。張立中說："目前我們的算法是唯一能通過廣義相對論中輻射的真實特性來提供解決方案的算法。"

該團隊論文特別聚焦于恒星質量黑洞——這些質量約為太陽10倍的黑洞相比其他黑洞相對較小。與超大質量黑洞不同，恒星質量黑洞在人類時間尺度上（數小時甚至數分鐘）就會發生變化，這使其成為繪制這些宇宙巨獸演化圖的理想對象。

科學家發現，當物質螺旋式落向恒星質量黑洞時，會形成湍流強烈、輻射劇烈的吸積盤。這種結構會產生強大的星風，也可能形成劇烈的噴流。研究團隊發現，他們的模型與這類黑洞有限觀測數據獲得的光譜吻合度極高。

張立中和團隊在進行研究時，使用了橡樹嶺國家實驗室和阿貢國家實驗室的"前沿"與"極光"超級計算機。這些"百億億次級"計算機是全球最強大的超級計算機，每秒可執行百億億次運算。

論文合著者、高等研究院自然科學學院教授詹姆斯·斯通解釋說："該項目的獨特之處在于，一方面需要耗費大量時間和精力開發能夠模擬這些復雜系統的應用數學和軟件，另一方面需要在全球最大超級計算機上獲得極大算力配額來執行這些計算。現在我們的任務是理解由此產生的所有科學發現。"

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