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超级计算机模拟解释了喷射黑洞的巨大力量——证实了爱因斯坦的广义相对论

一个带有 X 射线射流的大质量黑洞。 图片来源:NASA/CXC/M. Weiss

进一步证实了爱因斯坦的广义相对论。

梅西耶 87 (M87) 星系位于处女座,距离地球 5500 万光年。 它是一个巨大的星系,拥有 12,000 个球状星团,使得它 银河相比之下,200 个球状星团似乎不大。 一种 黑洞 在位于 M87 中心的六个半太阳质量中。 这是第一个有图像的黑洞,由国际研究合作事件视界望远镜于 2019 年创建。

这个黑洞(M87 *)释放出一股 等离子体 接近光速,即所谓的相对论平面,尺度为 6000 光年。 为这股喷流提供动力所需的巨大能量可能源于黑洞的引力,但像这样的喷流是如何出现的,以及是什么让它在很长的距离内保持稳定,目前尚不完全清楚。

M87 相对论喷流理论模型和天文观测

M87相对论喷气机发射场的理论模型(theory)和天文观测(observation)非常吻合。 图片来源:亚历杭德罗·克鲁兹·奥索里奥

黑洞 M87* 将盘中旋转的物质吸引到更小的轨道上,直到黑洞吞噬它。 喷流从围绕 M87 的吸积盘中心发射,歌德大学的理论物理学家与来自欧洲、美国和中国的科学家一起,对这个区域进行了详细设计。

他们使用高度复杂的 3D 超级计算机模拟,每次模拟使用了惊人的 100 万个 CPU 小时,并且必须同时求解阿尔伯特爱因斯坦的广义相对论方程、詹姆斯麦克斯韦的电磁方程和莱昂哈德欧拉的流体动力学方程。

M87 相对论性喷射黑洞磁场线

在 M87 的情况下,沿着磁场线,粒子非常有效地加速,以至于它们形成了最远可达 6000 光年的喷射流。 图片来源:亚历杭德罗·克鲁兹·奥索里奥

结果是一个模型,其中温度、材料密度和磁场的计算值与天文观测推断的值非常吻合。 在此基础上,科学家们能够在平面最内部区域的弯曲时空中追踪光子的复杂运动,并将其转化为无线电图像。 然后,他们能够将这些计算机图像与过去三十年中使用几台射电望远镜和卫星进行的观测进行比较。

该研究的第一作者亚历杭德罗·克鲁兹·奥索里奥博士评论说:“我们关于 M87 的电磁发射和喷流形态的理论模型出人意料地与无线电、光学和红外光谱中的观测结果相符。这告诉我们,M87 超大质量黑洞*是可能是高轨道运行,等离子体被强磁化。在平面上,将粒子加速到数千光年的范围。”

法兰克福歌德大学理论物理研究所的 Luciano Rizzola 教授指出:“我们计算出的图像非常接近天文观测,这一事实是另一个重要的证明,即爱因斯坦的广义相对论是对其存在最准确、最自然的解释,而不是超大质量星系中心的黑洞。虽然仍有其他解释的空间,但我们的研究结果使这个房间小得多。”

参考:“M87 发射场的最新活动和形态模型”作者:Alejandro Cruz Osorio、Christian M Fromm、Yusuke Mizuno、Antonius Nathaniel、Ziri Younesi、Oliver Borth、Jordi Davilar、Hino Falk、Michael Kramer 和 Luciano Rizzola,2021 年 11 月 4 日, 自然天文学.
DOI:10.1038 / s41550-021-01506-w

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