美国宇航局研究桥接理论与黑洞观测之间的差距

该注释图像在模拟中标记了几个特征，包括黑洞的事件范围。美国宇航局的戈达德太空飞行中心

一个新出版的研究桥接理论与黑洞观察之间的差距，确认了恒星 - 质量黑洞如何通过证明从气体螺旋朝向黑洞的气体螺旋旋转而产生最高能量光。

NASA，Johns Hopkins University和罗彻斯特理工学院天文学家的一项新研究证实了关于恒星 - 质量黑洞如何产生最高能量光的长期怀疑。

“我们准确地代表了真实对象并计算了天文学家实际上看到的光线，”Rit的计算相对性和引力中心的助理研究科学家斯科特诺布尔说。“这是一个初级计算，我们实际上将所有的作品一起进行。我们从我们预期的方程式开始，我们在超级计算机上解决这些完整方程。这为我们提供了我们可以的数据，然后我们可以进行X射线谱的预测。“

超级计算机数据的动画将带您进入恒星质量黑洞的吸积盘的内部区域。由于朝向黑洞的螺旋在低能量，或软，X射线中，气体加热至2000万华氏度的气体。就在气体踩到中心之前，其轨道运动正在接近光速。X射线高达数百次功能更强大（“更硬”），而不是磁盘中的磁盘中的那些，圆盘周围的脆弱和更热的气体区域。冠状温度达到数十亿度。事件视界是所有轨迹，包括光的边界必须向内进入。没有什么，甚至没有光，可以在活动范围内传递出来，逃离黑洞。

领导研究员Jeremy Schnittman是NASA戈达德太空飞行中心的天体物理学家，说这项研究看着宇宙中最极端的物理环境之一：“我们的工作追踪了百万度气体的复杂运动，粒子相互作用和湍流磁场，在黑洞的阈值上。”

通过分析流入黑洞的气体超级计算机模拟，该团队发现它们可以在主动黑洞中再现一系列重要的X射线特征。

“我们预测并得到了观察者所拥有的同样的证据，”诺布尔说。“这是非常令人鼓舞的，因为它说我们真的明白发生了什么。如果我们制作了所有正确的步骤，我们看到了一个完全不同的答案，我们必须重新考虑我们的模型。“

气体朝向黑洞落下，最初绕着它，然后累积到扁平的盘中。在该盘中储存在该盘中的气体向内螺旋，并在靠近中心时压缩并加热。最终达到高达2000万华氏度（120万C）的温度 - 比太阳表面的约2,000次 - 煤气在低能量或软，X射线中闪烁。

然而，超过40年的观察结果表明，黑洞也产生了相当大量的“硬”X射线，而具有比软X射线大的能量为10到数百倍。这种更高的光灯意味着存在相应更热的气体，温度达到数十亿度。

新的研究桥接了理论和观察之间的差距，展示了硬质且软的X射线不可避免地从螺旋朝向黑洞的气体中出现。

Schnittman在Johns Hopkins的教授使用贵族和朱利安Krolik，开发了一种模拟黑洞的吸积盘的内部区域的过程，跟踪X射线的发射和移动，并将结果与​​真正的黑洞的观察结果进行比较。

高尚开发了一种计算机模拟，求解控制流入气体的复杂运动的所有方程及其相关的磁场附近的黑洞附近。缺管气体的上升温度，密度和速度显着放大穿过盘的磁场螺纹，然后对气体产生额外的影响。

结果是在接近光速的速度下绕黑孔的湍流泡沫。该计算同时跟踪了气体的流体，电气和磁性，同时考虑到爱因斯坦的相对论。

在德克萨斯高级计算中心的Ranger超级计算机上运行，​​位于奥斯汀德克萨斯大学，贵族的贵族仿真使用了近63,000个中央加工单位，花了27天完成。

多年来，改进的X射线观测提供了安装证据，即硬X射线起源于盘上方的热，脆性电晕，类似于围绕太阳的热电晕的结构。

“天文学家还预期，磁盘支持强大的磁场，并希望这些田地可能会冒出它，创造电晕，”诺布尔说。“但是，没有人肯定会知道这是否真的发生了，如果它确实如此，所产生的X射线是否会匹配我们观察到的。”

使用贵族仿真产生的数据，Schnittman和Krolik开发了用于跟踪X射线如何发射，吸收和分散在整个Accretion盘和电晕区域的工具。结合，它们首次证明了盘中的磁湍流之间的直接连接，形成了十亿度的电晕，以及在主动“喂养”黑洞周围的硬X射线的生产​​。研究结果是，“来自磁性动力学模拟的X射线光谱的磁性动力学模拟，”Astrophysical Journal的6月1日发表。

在电晕，电子和其他颗粒在光速的可观分数下移动。当来自磁盘的低能量X射线穿过该区域时，它可能与一个快速移动的粒子碰撞。通过称为逆康顿散射的过程，影响大大增加了X射线的能量。

“黑洞真正的异国情调，温度非常高，温度令人难以置信的快速运动和重力，表现出全面相对性的全面奇怪，”克罗里克说。“但我们的计算表明我们只能使用标准物理原则了解它们。”

该研究基于非旋转的黑洞。研究人员正在将结果延伸到旋转黑洞，其中旋转将盘的内边缘进一步向内，条件变得更加极端。他们还规划他们对NASA和其他机构存档的X射线观测的财富的详细比较。

黑洞是已知的最密集的对象。恒星 - 质量黑洞形式，当大规模的恒星耗尽燃料并崩溃时，粉碎了阳光的宽度超过75英里（120公里）的紧凑型物体。

出版物：Jeremy D. Schnittman，等，“来自磁性流体动力学模拟的X射线光谱，用于黑洞的磁性动力学模拟”2013，APJ，769,156; DOI：10.1088 / 0004-637x / 769 / 2/156

研究报告的PDF副本：来自MHD模拟的X射线光谱仿真的黑洞

图像：美国宇航局的戈达德太空飞行中心