超级计算机模拟演示了拥有巨大威力的黑洞喷射

Messier 87 (M87)位于距离地球5500万光年的处女座。它是一个拥有12000个球状星团的巨大星系，相比之下，银河系的200个球状星团就显得微不足道了。在M87的中心，藏着一个65亿太阳质量的黑洞。这是第一个有图像的黑洞，由国际研究合作机构Event Horizon望远镜于2019年创建。

这个黑洞(M87*)以接近光速的速度喷射出等离子体，即所谓的相对论喷射，规模为6000光年。为这种喷射提供动力所需的巨大能量可能来自于黑洞的引力，但像这样的喷射是如何产生的以及是什么让它在巨大的距离上保持稳定，目前还没有完全搞清楚。

黑洞M87*吸引着物质，这些物质在一个圆盘中则以越来越小的轨道旋转，一直直到被黑洞吞噬。喷流是从M87周围的吸积盘中心发射出来的，歌德大学的理论物理学家跟来自欧洲、美国和中国的科学家一起现已经对这个区域进行了非常详细的建模。

他们使用了高度复杂的三维超级计算机模拟，每次模拟使用的CPU时间达到了惊人的100万小时，另外还必须同时解决阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论方程、詹姆斯·麦克斯韦的电磁学方程和莱昂哈德·欧拉的流体动力学方程。

得到的结果是一个模型，其中温度、物质密度和磁场的计算值跟从天文观测中推断出的结果非常吻合。在此基础上，科学家们能追踪光子在射流最内部区域的弯曲时空中的复杂运动并将其转化为无线电图像。然后，研究人员能够将这些计算机模拟的图像跟过去30年中使用众多射电望远镜和卫星进行的观测进行了比较。

这项研究的论文首席作者Alejandro Cruz-Osorio博士评论称：“我们对M87的电磁辐射和喷流形态的理论模型跟无线电、光学和红外光谱的观测结果惊人地吻合。这告诉我们，超大质量黑洞M87*可能是高度旋转的，等离子体在喷流中被强烈磁化并将粒子加速到数千光年的范围内。”

来自法兰克福歌德大学理论物理研究所的Luciano Rezzolla教授表示：“我们计算出的图像跟天文观测结果如此接近，这又一次证明了爱因斯坦的广义相对论是对星系中心超大质量黑洞存在的最精确和自然的解释。虽然仍有替代解释的空间，但我们的研究结果使这个空间小了很多。”