NASA科学家们使用超级计算机来创建黑洞喷射模拟器

来源：cnBeta 　2022-11-30 22:33:44

美国宇航局戈达德太空飞行中心的科学家们进行了100次复杂的模拟，探索从超大质量黑洞中以近乎光速出现的喷流--高能粒子的狭窄光束。这些庞然大物位于活跃的、正在形成恒星的星系的中心，比如我们自己的银河系，其重量可以达到太阳质量的数百万到数十亿倍。

(资料图)

为了进行高度复杂的模拟，科学家们利用了美国宇航局气候模拟中心（NCCS）的Discover超级计算机。

研究负责人、美国宇航局戈达德X射线天体物理实验室的博士后Ryan Tanner（瑞安·坦纳）解释说，随着喷流和风从这些活跃的星系核（AGN）中流出，它们"调节星系中心的气体并影响诸如恒星形成率以及气体如何与周围星系环境混合"。

在美国宇航局气候模拟中心（NCCS）Discover超级计算机上进行的新模拟显示了一个星系的怪物黑洞产生的较弱的、低亮度的喷流如何与它们的星系环境相互作用。因为这些喷流更难探测到，这些模拟帮助天文学家将这些相互作用与他们可以观察到的特征联系起来，比如各种气体运动和光学及X射线发射。资料来源：美国宇航局戈达德太空飞行中心

坦纳说："对于我们的模拟，我们专注于研究较少的、低亮度的喷流，以及它们如何决定其宿主星系的演变。"他与X射线天体物理学实验室的天体物理学家Kimberly Weaver合作进行了这项计算研究，研究结果于今年早些时候发表在《天文学杂志》上。

喷流和其他AGN外流的观测证据首先来自射电望远镜，后来来自美国宇航局和欧洲航天局的X射线望远镜。在过去的30到40年里，包括韦弗在内的天文学家们通过连接光学、无线电、紫外线和X射线观测，拼凑出了对其起源的解释（见下面的图片）。

这些图片显示了黑洞喷流的多样性。左图：NGC 1068，最近和最亮的星系之一（绿色和红色），有一个快速增长的超大质量黑洞，为一个比星系本身小得多的喷流（蓝色）提供动力。资料来源：NASA/CXC/MIT/C.Canizares，D.Evans等人（X射线）；NASA/STScI（光学）；以及NSF/NRAO/VLA（无线电）。右边。银河系

半人马座A星系显示了在该星系圆盘上方和下方延伸的粒子喷流。资料来源：ESO/WFI（光学）；MPIfR/ESO/APEX/A.Weiss等人（亚毫米）；和NASA/CXC/CfA/R. Kraft等人（X射线）。

坦纳解释说："高亮度喷流更容易被发现，因为它们产生了大量的结构，在无线电观测中可以看到。低亮度喷流在观测上具有挑战性，所以天文学界对它们的了解并不充分。"

进入美国宇航局的超级计算机支持的模拟。对于现实的起始条件，坦纳和韦弗使用了一个假设的星系的总质量，其大小与银河系差不多。对于气体分布和其他AGN属性，他们参考了螺旋星系，如NGC 1386、NGC 3079和NGC 4945。

黑洞喷射模拟是在NCCS的127,232核Discover超级计算机上进行的。信用：美国宇航局戈达德太空飞行中心概念图像实验室

坦纳修改了雅典娜天体物理流体力学代码，以探索喷流和气体在26000光年的空间内相互的影响，大约是银河系半径的一半。从全套100个模拟中，该团队选择了19个--在NCCS Discover超级计算机上消耗了80万个核心小时。

坦纳说："能够使用美国国家航空航天局的超级计算资源，使我们能够探索更大的参数空间，而不是我们不得不使用更适度的资源。这导致发现了我们在更有限的范围内无法发现的重要关系。"

研究的共同作者是Ryan Tanner和Kimberly Weaver，他们是NASA戈达德X射线天体物理学实验室的研究人员。资料来源：美国宇航局

模拟结果发现了低亮度喷流的两个主要特性，它们与宿主星系的互动比高亮度喷流多得多，既影响星系内的星际介质，也受其影响，从而导致比高亮度喷流有更多的形状。

这些模拟表明，喷流和它们的宿主星系之间的相互作用可以解释在一些活动星系核（AGN）中观察到的光学和X射线发射区域，以及各种气体运动。

"我们已经证明了AGN影响其星系并产生物理特征的方法，例如星际介质中的冲击，我们已经观察了大约30年，"Weaver说。"这些结果与光学和X射线观测结果相比较好。我对理论与观测结果的匹配程度感到惊讶，并解决了我作为研究生时研究的AGN的长期问题，如NGC 1386！，而现在我们可以扩展到更大的样本。"

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