仿真重新创建了黑洞附近的复杂动态

超级计算机数据的动画带您到黑洞的吸积盘的内部区域。

天体物理学家几乎重新创建并解释了恒星质量黑洞X射线光谱中看到的所有组件。

黑洞可能是黑暗的，但周围的区域绝对不是。这些密集的，庞大的胸部扭转天然气，在其活动范围之外旋转气体，并产生辐射的热量和能量，部分作为光。当黑洞合并时，它们会产生一个明亮的同时爆裂，可以充当灯塔的碰撞。

天体物理学家在20世纪60年代对黑洞深感感兴趣，但在爱因斯坦在1915年引入了一般相对性后，Karl Schwarzschild发布了他们的活动地平线的想法。

关于黑洞的知识 - 这些静止的对象 - 近年来已经增长了。这一增长的一部分来自研究人员使用详细数值模型和强大的超级计算机来模拟黑洞附近的复杂动态的能力。这不是琐碎的事情。翘曲的时空，气体压力，电离辐射，磁化等离子体 - 必须包含在准确模拟中的现象列表继续和打开。

“这不是你想要用纸和铅笔做的事情，”罗切斯特理工学院（rit）的天体物理学家斯科特诺布尔说。

超级计算机数据的动画将带您进入恒星质量黑洞的吸积盘的内部区域。当它朝向黑洞的螺旋在低能量或柔软，X射线时，气体加热至20百万摄氏度。就在气体踩到中心之前，其轨道运动正在接近光速。X射线高达数百次功能更强大（“更硬”），而不是磁盘中的磁盘中的那些，圆盘周围的脆弱和更热的气体区域。冠状温度达到数十亿度。事件视界是所有轨迹，包括光的边界必须向内进入。没有什么，甚至没有光，可以在活动范围内传递出来，逃离黑洞。

与Joydard Space Flight Center和Julian Krolik的Jeremy Schnittman合作，高贵和他的同事创造了一个新工具，预测了凸起的黑洞产生的光线。它们通过模拟光子在黑洞周围的圆盘中的气体颗粒（也称为吸积盘），在X射线光谱中产生光线特异性光线以及通过当今最强大的望远镜而产生的信号来模拟磁盘中的气体粒子。

在2013年6月在Astrophysical Journal中的纸张中，研究人员介绍了一种新的全球辐射运输代码的结果，耦合到相对的仿真，非旋转黑洞的相对论模拟。为了第一次，他们能够重新创建和解释恒星 - 质量黑洞X射线光谱中看到的所有组件。

从黑洞仿真产生现实光信号的能力是首先，它可以解释在过去的40年中用多个X射线卫星进行的全部观察结果。

“我们觉得很兴奋，也非常幸运，就像我们连续十头抬起头一样，”诺布尔说。“模拟非常具有挑战性，如果你没有恰到好处，它不会给你一个准确的答案。这是人们第一次以这种彻底的方式将所有作品从第一个原则中汇集在一起​​。“

模拟是两个计算代码的组合结果。一个，HARM3D，重新创建黑洞增压气体的三维动态，包括其磁流动力学（MHD），其描绘了电导率等离子体和强大的磁场等电导率的相互作用。

“磁场在黑洞外的区域中很重要，因为它鞭打气体并可以决定其动态，”诺布尔说。“此外，场的运动可以导致它扭结并触发产生爆炸性能量的重新连接事件，将磁场能量转化为热量。”

虽然MHD力在黑洞附近至关重要，但这是可以观察到的这些力的X射线。第二个组件是一个名为Pandurata的辐射传输代码，模拟了真正的光子所做的。

“他们在气体内部反射，它们反射磁盘的表面，并沿途变化，”他解释说。“最终，它们达到一些远处的光收集器 - 一种数值近似的观察者 - 这提供了我们模拟的预测光输出。”

研究人员的模拟在德克萨斯高级计算中心的游侠超级计算机上运行，​​基于国家科学基金会的支持，该基金会还资助了该集团的研究。

仿真是有史以来的分辨率最高的细磁盘模拟，具有数值小区的最多点和最小的长度尺度，允许研究人员解决非常小的功能。只有黑洞accrete气体的速率，它们能够再现在大多数银河黑洞源的观察中看到的广泛的X射线状态。

该图示出了黑洞，其吸收盘和电晕区域（蓝色）之间的近似关系。箭头显示一个柔软的X射线（红色），进入电晕并敲击光速速度的粒子。碰撞散射光线，使其提高到更高的能量，使其成为一个硬的X射线。该过程称为逆康顿散射。

随着每年通过的，黑洞的重要性 - 以及它们在塑造宇宙的作用。

朱丽叶·克罗里克（Julian Krolik）是几乎每个大小的Galaxy都有一个超级分类的黑洞，是约翰斯霍普金斯大学的物理学和天文学教授。一段时间几到几百万年，黑洞令人难以置信的气体最终释放出大量的能量 - 多达一百倍的黑洞主机星系中所有恒星的动力输出。

“其中一些能量可以作为电离光或离子化气体的快速移动喷气沟进入周围的星系，”Krolik继续。“结果，可以在那些星系中的气体中沉积如此多的热量，即它显着改变他们制作新恒星的方式。它被广泛认为这样的流程在很大程度上负责调节有多少星级大星系持有。“

在这种方式，黑洞可以充当宇宙调节器 - 所有的原因都越是使用数值模拟来揭示关于黑洞与气体，恒星和其他超迹黑洞相互作用的进一步线索。

说高尚：“要看到它的工作和再现观察数据，当观察数据如此复杂的是非常…显着的。”

出版物：Jeremy D. Schnittman，等，“来自磁性流体动力学模拟的X射线光谱，用于黑洞的磁性动力学模拟”2013，APJ，769,156; DOI：10.1088 / 0004-637x / 769 / 2/156

研究报告的PDF副本：来自MHD模拟的X射线光谱仿真的黑洞

图片：美国宇航局的戈达德太空飞行中心/ j。Schnittman，J. Krolik（JHU）和S. Noble（Rit）