在計(jì)算天體物理學(xué)領(lǐng)域，一項(xiàng)突破性成果引發(fā)廣泛關(guān)注。一個(gè)國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)借助全球頂尖超級(jí)計(jì)算機(jī)，成功構(gòu)建出迄今最全面的發(fā)光黑洞吸積模型，為探索宇宙中神秘的黑洞現(xiàn)象提供了全新視角。

該研究由高等研究院與弗拉鐵爾研究所計(jì)算天體物理中心的研究人員主導(dǎo)。團(tuán)隊(duì)運(yùn)用橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的“前沿”（Frontier）和阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的“極光”（Aurora）這兩臺(tái)每秒能進(jìn)行百億億次運(yùn)算的超級(jí)計(jì)算機(jī)，對(duì)物質(zhì)流入黑洞的過(guò)程展開(kāi)精密計(jì)算。這兩臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)作為全球計(jì)算能力的巔峰代表，為復(fù)雜的天體物理模擬提供了強(qiáng)大算力支撐。

論文第一作者張立中（音譯）在《天體物理學(xué)雜志》發(fā)表的論文中介紹，此次模擬實(shí)現(xiàn)了前所未有的精確度。他表示：“這是我們首次能精準(zhǔn)呈現(xiàn)包含黑洞吸積關(guān)鍵物理過(guò)程時(shí)的真實(shí)景象。這些系統(tǒng)具有極強(qiáng)的非線性特征，任何過(guò)度簡(jiǎn)化的假設(shè)都可能使結(jié)果大相徑庭。”令人振奮的是，新模型成功重現(xiàn)了天空中觀測(cè)到的黑洞系統(tǒng)間高度一致的行為模式，涵蓋從超亮X射線源到X射線雙星系統(tǒng)等多種類型。“從某種意義上說(shuō)，我們借助計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了對(duì)黑洞系統(tǒng)的‘觀測(cè)’。”張立中補(bǔ)充道。

黑洞吸積是黑洞通過(guò)捕獲周圍物質(zhì)增加質(zhì)量的過(guò)程。當(dāng)物質(zhì)被吸入黑洞時(shí)，會(huì)形成旋轉(zhuǎn)的過(guò)熱盤(pán)狀結(jié)構(gòu)——吸積盤(pán)。2019年，事件視界望遠(yuǎn)鏡團(tuán)隊(duì)首次成功捕捉到這一經(jīng)典景象。然而，黑洞的尺寸差異巨大，從質(zhì)量約為太陽(yáng)10倍的恒星質(zhì)量黑洞，到質(zhì)量至少是太陽(yáng)1000億倍的超大質(zhì)量黑洞（如迄今觀測(cè)到的鳳凰座A星黑洞），不同規(guī)模的黑洞在模擬過(guò)程中面臨不同挑戰(zhàn)。

以往模擬黑洞吸積時(shí)，由于輻射流問(wèn)題的復(fù)雜性，模型多采用簡(jiǎn)化方法處理。張立中解釋：“傳統(tǒng)方法將輻射近似為某種流體，但這無(wú)法真實(shí)反映其特性。”為突破這一局限，研究團(tuán)隊(duì)基于數(shù)十年研究積累，開(kāi)發(fā)出全新算法。該算法無(wú)需近似處理，能夠通過(guò)廣義相對(duì)論中輻射的真實(shí)特性提供解決方案，成為目前唯一具備此能力的算法。

此次研究特別聚焦于恒星質(zhì)量黑洞。這類黑洞質(zhì)量約為太陽(yáng)的10倍，雖相對(duì)較小，但變化迅速，在人類時(shí)間尺度（數(shù)小時(shí)甚至數(shù)分鐘）內(nèi)就會(huì)發(fā)生顯著演變，因此成為繪制黑洞演化圖的理想對(duì)象。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，當(dāng)物質(zhì)螺旋式落入恒星質(zhì)量黑洞時(shí)，會(huì)形成湍流強(qiáng)烈、輻射劇烈的吸積盤(pán)。這種結(jié)構(gòu)不僅會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大星風(fēng)，還可能形成劇烈噴流。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)模型驗(yàn)證，其結(jié)果與這類黑洞有限觀測(cè)數(shù)據(jù)獲得的光譜高度吻合。

論文合著者、高等研究院自然科學(xué)學(xué)院教授詹姆斯·斯通指出，該項(xiàng)目的成功得益于兩方面突破：一是開(kāi)發(fā)了能夠模擬復(fù)雜系統(tǒng)的應(yīng)用數(shù)學(xué)與軟件，二是獲得了全球最大超級(jí)計(jì)算機(jī)的算力支持。“現(xiàn)在，我們的任務(wù)是深入理解這些計(jì)算結(jié)果背后的科學(xué)意義。”斯通說(shuō)。