黑洞40年未解的“巴丁-佩特森效應”謎題得以清晰揭秘

由來自美國西北大學、英國牛津大學和荷蘭阿姆斯特丹大學的天體物理學家組成的國際團隊，聯(lián)合進行了迄今為止分辨率最高的黑洞模擬，解開了困擾全球天文學家40年的“巴丁-佩特森效應”謎題。相關(guān)成果近日發(fā)表在天文學國際權(quán)威期刊《英國皇家天文學會月刊》上。

吸積盤是黑洞在吸入氣體、塵埃和空間碎片等物質(zhì)時，在其周圍形成的非常明亮的超加速粒子攪動團。1975年，諾貝爾獎獲得者、物理學家約翰·巴丁和天體物理學家雅各布斯·佩特森提出“巴丁-佩特森效應”，即旋轉(zhuǎn)的黑洞會使傾斜的吸積盤內(nèi)部區(qū)域與黑洞的赤道面對齊。

數(shù)十年來，由于模擬算法和計算機硬件性能的限制，還沒有任何一個模型能夠精確解釋這一現(xiàn)象。

研究團隊借助美國國家科學基金會下屬的Blue Waters超級計算機進行數(shù)值計算，使用圖形處理器(GPU)處理計算產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，采用自適應網(wǎng)格優(yōu)化的算法提高模擬的分辨率，詳細仿真了高度與半徑之比為0.03的吸積盤與黑洞的相互作用。

模擬結(jié)果顯示，吸積盤的內(nèi)部和外部區(qū)域通過平滑的曲面連接，雖然其外部區(qū)域保持傾斜，但內(nèi)部與黑洞赤道面對齊。此外，研究團隊成功將磁湍流納入模擬之中。磁湍流因不同粒子在吸積盤內(nèi)以不同的速度攪動產(chǎn)生，正是其發(fā)揮“阻力”作用使物質(zhì)最終進入黑洞，在此之前的模擬一般只能將其簡化假設(shè)為“額外摩擦力”。

高分辨率模擬對黑洞研究有多重要?研究團隊負責人之一、西北大學副教授切赫霍夫斯基解釋說，黑洞周圍的細節(jié)可能看起來很小，但其影響著黑洞的旋轉(zhuǎn)速度，從而影響黑洞對整個星系的作用。

論文第一作者、阿姆斯特丹大學研究員馬修·里斯卡表示，這一模擬不僅解決了一個40年前的問題，而且證明了在完全廣義相對論中模擬吸積盤是可行的，這為下一代模擬鋪平了道路。

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