全球最强大超级计算机实现迄今最精确黑洞吸积模拟

研究团队运用了两台能够每秒进行百亿亿次运算的超级计算机。最近取得的一项突破中，一个计算天体物理学研究团队构建出了迄今最全面的发光黑洞吸积模型。团队使用了全球最强大的两台超级计算机"前沿"（Frontier）和"极光"（Aurora）计算物质流入黑洞的过程。这一新成就建立在数十年黑洞研究基础上，为理解无数星系核心处的宇宙巨兽提供了新方法。

该团队由高等研究院和弗拉铁尔研究所计算天体物理中心的研究人员领衔，宣称其模型实现了迄今最精确的黑洞吸积模拟。他们在《天体物理学杂志》新发表的论文中公布了这项成果。论文第一作者张立中（音译）在新闻声明中解释："这是我们首次能够准确看到包含黑洞吸积最重要物理过程时会发生什么。"

张立中继续解释道："这些系统具有极强的非线性特征——任何过度简化的假设都可能彻底改变结果。最令人兴奋的是，我们的模拟现在重现了天空中观测到的黑洞系统间高度一致的行为模式，从超亮X射线源到X射线双星系统。在某种意义上，我们成功实现了'不通过望远镜而是通过计算机'观测这些系统。"

黑洞吸积是指黑洞通过捕获周围物质增加质量的过程。这些物质被吸入黑洞时，会形成旋转的过热盘状结构，即吸积盘。事件视界望远镜团队在2019年首次成功捕捉到这一著名景象。

黑洞的尺寸差异巨大。迄今观测到最大的凤凰座A星黑洞质量估计至少是太阳的1000亿倍。由于这些令人费解的尺寸及模拟黑洞吸积的复杂性，以往模型都采用简化方法来处理辐射流问题。张立中解释道："以往方法采用近似处理，将辐射视为某种流体，这并不能反映其真实行为。"

研发新模型的团队运用数十年积累的洞见开发了新算法，使他们无需近似处理就能解决这一问题。张立中说："目前我们的算法是唯一能通过广义相对论中辐射的真实特性来提供解决方案的算法。"

该团队论文特别聚焦于恒星质量黑洞——这些质量约为太阳10倍的黑洞相比其他黑洞相对较小。与超大质量黑洞不同，恒星质量黑洞在人类时间尺度上（数小时甚至数分钟）就会发生变化，这使其成为绘制这些宇宙巨兽演化图的理想对象。

科学家发现，当物质螺旋式落向恒星质量黑洞时，会形成湍流强烈、辐射剧烈的吸积盘。这种结构会产生强大的星风，也可能形成剧烈的喷流。研究团队发现，他们的模型与这类黑洞有限观测数据获得的光谱吻合度极高。

张立中和团队在进行研究时，使用了橡树岭国家实验室和阿贡国家实验室的"前沿"与"极光"超级计算机。这些"百亿亿次级"计算机是全球最强大的超级计算机，每秒可执行百亿亿次运算。

论文合著者、高等研究院自然科学学院教授詹姆斯·斯通解释说："该项目的独特之处在于，一方面需要耗费大量时间和精力开发能够模拟这些复杂系统的应用数学和软件，另一方面需要在全球最大超级计算机上获得极大算力配额来执行这些计算。现在我们的任务是理解由此产生的所有科学发现。"

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