黑洞40年未解之谜得以清晰揭秘

由来自美国西北大学、英国牛津大学和荷兰阿姆斯特丹大学的天体物理学家组成的国际团队，联合进行了迄今为止分辨率最高的黑洞模拟，解开了困扰全球天文学家40年的“巴丁-佩特森效应”谜题。相关成果近日发表在天文学国际权威期刊《英国皇家天文学会月刊》上。

吸积盘是黑洞在吸入气体、尘埃和空间碎片等物质时，在其周围形成的非常明亮的超加速粒子搅动团。1975年，诺贝尔奖获得者、物理学家约翰·巴丁和天体物理学家雅各布斯·佩特森提出“巴丁-佩特森效应”，即旋转的黑洞会使倾斜的吸积盘内部区域与黑洞的赤道面对齐。

数十年来，由于模拟算法和计算机硬件性能的限制，还没有任何一个模型能够精确解释这一现象。

研究团队借助美国国家科学基金会下属的Blue Waters超级计算机进行数值计算，使用图形处理器(GPU)处理计算产生的大量数据，采用自适应网格优化的算法提高模拟的分辨率，详细仿真了高度与半径之比为0.03的吸积盘与黑洞的相互作用。

模拟结果显示，吸积盘的内部和外部区域通过平滑的曲面连接，虽然其外部区域保持倾斜，但内部与黑洞赤道面对齐。此外，研究团队成功将磁湍流纳入模拟之中。磁湍流因不同粒子在吸积盘内以不同的速度搅动产生，正是其发挥“阻力”作用使物质最终进入黑洞，在此之前的模拟一般只能将其简化假设为“额外摩擦力”。

高分辨率模拟对黑洞研究有多重要？研究团队负责人之一、西北大学副教授切赫霍夫斯基解释说，黑洞周围的细节可能看起来很小，但其影响着黑洞的旋转速度，从而影响黑洞对整个星系的作用。

论文第一作者、阿姆斯特丹大学研究员马修·里斯卡表示，这一模拟不仅解决了一个40年前的问题，而且证明了在完全广义相对论中模拟吸积盘是可行的，这为下一代模拟铺平了道路。