黑洞40年未解的“巴丁-佩特森效應(yīng)”謎題得以清晰揭秘

由來自美國西北大學(xué)、英國牛津大學(xué)和荷蘭阿姆斯特丹大學(xué)的天體物理學(xué)家組成的國際團(tuán)隊，聯(lián)合進(jìn)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(xué)家40年的“巴丁-佩特森效應(yīng)”謎題。相關(guān)成果近日發(fā)表在天文學(xué)國際權(quán)威期刊《英國皇家天文學(xué)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(tuán)。1975年，諾貝爾獎獲得者、物理學(xué)家約翰·巴丁和天體物理學(xué)家雅各布斯·佩特森提出“巴丁-佩特森效應(yīng)”，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(tuán)隊借助美國國家科學(xué)基金會下屬的Blue Waters超級計算機進(jìn)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(yīng)網(wǎng)格優(yōu)化的算法提高模擬的分辨率，詳細(xì)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(tuán)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(jìn)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(tuán)隊負(fù)責(zé)人之一、西北大學(xué)副教授切赫霍夫斯基解釋說，黑洞周圍的細(xì)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(xué)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。

關(guān)鍵詞： 黑洞 巴丁-佩特森效應(yīng)