超级计算机帮助研究人员了解黑洞

黑洞在恒星杀人案中被当场抓获。

研究人员使用德克萨斯州高级计算中心的Stampede和美国国家计算科学研究所的Kraken等超级计算机，试图预测并更好地理解吞食恒星等黑洞事件的观测特征。

一个普通的星系在宇宙中的某个地方旋转，似乎在沉睡中。然后突然，WHAM！一道闪光从银河系中心爆炸。太靠近星系中央超大质量黑洞的事件视界的恒星在重力的作用下被撕开，加热了它的气体，并将信标发射到了宇宙的深处。

在拥有数百亿个星系的宇宙中，我们将如何看待它？这样的信标看起来像什么？我们如何将其与其他明亮的，巨大的星际事件如超新星区分开？

乔治亚理工学院物理学助理教授塔玛拉·博格达诺维奇（Tamara Bogdanovic）说：“黑洞本身不发光。”“我们在遥远星系中发现它们的最佳机会是它们是否与周围的恒星和气体相互作用。”

近几十年来，随着改进的望远镜和观测技术的设计，它们可以重复地调查天空中的大量星系，科学家注意到，一些以前看起来不活跃的星系会突然在其中心发光。

博格达诺维奇解释说：“发现这种光斑具有随时间变化的特征。”“它开始非常亮，然后其光度随时间以特定方式降低。天文学家将其识别为星系，其中一个中心黑洞刚刚破裂并“吞噬”了一颗恒星。这就像一个黑洞，上面放着一个标语，上面写着：'我在这里。

Bogdanovic依赖于国家科学基金会资助的超级计算机，例如德克萨斯高级计算中心的Stampede和国家计算科学研究院的Kraken。她和她的合作者最近使用这些系统模拟了这些超强大力量的动态，并使用数值模型绘制了它们的行为图表。Stampede和Kraken是极限科学与工程发现环境（XSEDE）的一部分，XSEDE是一个单一的虚拟系统，科学家使用该虚拟系统以交互方式共享计算资源，数据和专业知识。

Bogdanovic运用理论方法和计算方法的组合，试图预测上述事件的观测特征，例如上述的黑洞吞噬恒星场景（也称为“潮汐破坏”）或两个超大质量黑洞合并，这是她的另一个兴趣。对于分析地面或太空观测站的数据的人而言，此类事件将具有独特的签名。

潮汐破坏是罕见的宇宙事件。

天体物理学家已经计算出，类似银河系的星系在大约10,000年中仅一次破坏一颗恒星。另一方面，发光光只能在短短几年内消失。时间尺度上的这种差异突出了在查明天空中此类事件方面的观测挑战，并强调了同时监视大量星系的天文测量的重要性。

到目前为止，仅观察到了几十个这些特征性耀斑特征，并被认为是潮汐破坏的“候选者”。但是，随着PanSTARRS，Galex，Palomar Transient Factory以及其他即将进行的天文学调查的数据可供科学家使用，Bogdanovic相信这种稀缺性将发生巨大变化。

“与过去十年中发现的几十个相比，现在想象每年有数百个-这是一个巨大的差异！”她说。“这意味着我们将能够建立被超大质量黑洞破坏的不同类型恒星的变化样本。”

通过探索数百种此类事件，天体物理学家对黑洞及其周围恒星的理解将突飞猛进，有助于确定银河物理学的一些关键方面。

博格加诺维奇说：“被破坏的恒星类型的存在告诉我们有关星系中心恒星团组成的一些信息。”“这可能使我们对平均有多少个主序星，多少个红巨星或白矮星有一个了解。”

它还告诉我们一些正在破坏的超大质量黑洞的数量和性质。

她继续说：“我们将这些观察结果作为学习有关黑洞及其宿主星系重要事物的机会之窗。”“一旦潮汐破坏耀斑的亮度降低到观察到的某个阈值光度以下，该特定星系的窗户就会关闭。”

白矮星的演变，因为它被一个巨大的黑洞破坏了。

在最近提交给《天体物理学杂志》的论文中，博格达诺维奇与Roseanne Cheng（佐治亚理工大学相对论天体物理中心）和Pau Amaro-Seoane（德国波茨坦的阿尔伯特·爱因斯坦研究所）合作，认为红色巨星的潮汐破坏是由使用计算机建模的超大质量黑洞。

该论文紧随潮汐破裂事件的发现之后，在该事件中，黑洞破坏了富含氦气的恒星核心，该恒星核心被认为是一颗名为PS1-10jh的红色巨星的残骸，距地球27亿光年。

他们描述的事件序列旨在解释与此事件相关的观察特征的一些不寻常方面，例如，PS1-10jh光谱中不存在氢发射谱线。

作为这项理论研究的后续，该团队除了在Stampede和Kraken之外，还在Georgia Tech的Keeneland超级计算机上运行了仿真。模拟重建事件链，通过该事件链，类似于潮汐破碎的红色巨星的残留物，可能在巨大黑洞的引力潮汐作用下演化。

“只有在使用超级计算机的情况下，才能在人类时间尺度上计算流体力学与重力之间的混乱相互作用是可行的，” Cheng说。“由于我们可以控制此虚拟实验，并且可以根据需要重复进行，快进或快退，因此我们可以从多个角度检查潮汐破坏过程。反过来，这使我们能够确定和量化最重要的物理过程。”

研究表明计算机模拟如何补充和限制理论和观察。

博格达诺维奇说：“在天体物理学中，有很多情况我们无法洞悉没有模拟就可以进行的一系列事件。”“我们不能站在黑洞旁边，看看它是如何产生气体的。因此，我们使用模拟来了解这些遥远和极端的环境。”

Bogdanovic的目标之一是利用从模拟中获得的知识来解码观察到的潮汐破坏事件的特征。

她解释说：“有关潮汐破坏事件的最新数据已经超出了理论理解，并呼吁开发新一代模型。”“质量更高的新数据表明，潮汐干扰候选者之间存在很大的共鸣。根据早期的观察，这与我们认为它们是相对统一的事件类别相反。我们尚不了解是什么原因导致这些外观上的差异，以及计算机模拟是否一定会成为这一旅程的重要组成部分。”

出版物：提交给ApJ

研究报告的PDF副本：超大质量黑洞破坏红色巨星和PS1-10jh的情况

图片：美国宇航局； S. Gezari（约翰霍普金斯大学）；和J. Guillochon（加州大学圣克鲁斯分校）；塔玛拉·博格达诺维奇（TamaraBogdanović），佐治亚理工学院