国际事件视界望远镜合作拍摄了第二张黑洞照片——这次是在我们银河系的中心。 但为了赋予图像意义，合作必须将其与黑洞模拟进行比较。
在动员 300 多名科学家和工程师建立一个同步望远镜网络，形成地球大小的虚拟望远镜后，国际事件视界望远镜合作组织拍摄了第一张超大质量黑洞的图像。 第一张照片是梅西耶 87 星系中心的黑洞，于 2019 年发布。周四发布的最新照片显示了我们银河系中心的黑洞，称为人马座 A*。
但是这些图像被捕获后会发生什么？
“拍摄图像只是开始。要真正了解我们正在观察的物体，我们必须将其与模拟进行比较，”亚利桑那大学理学院管家副研究教授 Chi-Kwan “CK” Chan 说天文台。 Chan 担任 EHT 科学委员会秘书，是国际黑洞 PIRE 项目的高级研究员，该项目致力于开发基础设施，将 EHT 等天文项目带入大数据科学时代。
Chan 还是 EHT 合作团队对射手座 A* 的理论建模和解释工作的领导者，这是最新照片的主题和 一轮科学论文 由 EHT Collaboration 在天体物理学杂志快报上发表。 他协调了第五篇论文，该论文的重点是创建黑洞模拟并将其转化为可以与真实观察结果进行比较的合成图像，从而向我们传授有关黑洞的新知识。
由于这一过程，EHT 科学家确定人马座 A* 可能正在旋转，并且其磁场略强于冰箱磁铁，足以推开附近的气体。 落入黑洞的气体形成了一个圆盘，从地球上看，它似乎是正面的，而不是从边缘来的。 这个漫射发光圆盘由过热气体或等离子体和带电粒子组成。 电子比等离子体中的离子冷 100 倍，圆盘的旋转方向与黑洞旋转的方向相同。 此外，只有一些这种物质落入黑洞。 如果射手座A*是一个人，它每百万年会吃掉一粒米。
寻找意义
UArizona 与伊利诺伊大学和哈佛大学一起努力创建了迄今为止最大的模拟集合，EHT 将其称为模拟库。 该库由数千个数据集（包含有关等离子体怎样与黑洞周围的磁场相互作用的信息）和数百万个模拟图像组成。 每个模拟都假设黑洞及其周围环境的性质和特征有所不同。
EHT 科学家可以将每个模拟图像与实际黑洞图像进行比较，以找到匹配项。 创建具有最接近匹配的快照的模拟可以告诉我们一些关于实际黑洞的信息，包括它的等离子体温度和它的磁场强度。
模拟过程涉及使用超级计算机来解决所谓的广义相对论磁流体动力学（或 GRMHD）方程，该方程揭示了黑洞周围物质和能量在剧烈扭曲的空间和时间中的运动。 Chan 说，GRMHD 模拟类似于用于了解空气怎样在飞机周围流动的模拟，但 GRMHD 模拟还考虑了爱因斯坦广义相对论所描述的极端重力以及磁场和等离子体之间的相互作用。
与可以用铅笔、纸和时间求解的简单方程不同，GRMHD 方程要复杂得多，因为它们考虑了磁场和等离子体之间的恒定反馈，从而导致方程不断变化。
为了创建模拟库，EHT 协作需要 8000 万 CPU 小时或处理时间，这相当于全速运行 2000 台笔记本电脑一整年。 合作进行了计算，以在德克萨斯高级计算中心与国家科学基金会资助的 Frontera 超级计算机一起创建图书馆，Chan 是 Frontera 大规模社区合作伙伴分配的首席研究员。 有了这个资源，团队能够在两个月内完成完整的模拟库。
“为了将这样的模拟与 EHT 观察结果进行比较，我们还需要运行额外的计算来将 GRMHD 数据转换为图像，”Chan 说。 “这类计算被称为广义相对论射线追踪。”
EHT 旨在检测来自黑洞银河中心的特定波长（1.3 毫米）的无线电波。 为了模拟这些无线电波并创建图像，科学家们再次使用超级计算机追踪光返回黑洞的路径。
Chan 通过位于 UArizona 的国家网络基础设施 CyVerse 和 NSF 资助的 Open Science Grid（一个用于计算大量数据的联盟）领导了 Sagittarius A* 的大部分光线追踪计算工作。 UArizona 团队不仅带头努力获取计算资源来运行这些模拟，而且他们还创建了促进计算的软件。
最终产品是许多模拟电影和黑洞的模拟图像，这些图像是由对基础物理的不同假设产生的。 然后，该团队将这些电影和图像与真正的黑洞进行比较。
亚利桑那大学的学生在使比较成为可能方面发挥了重要作用。 天文学专业的应届毕业生袁杰休和计算机科学和应用数学专业的大二学生 Anthony Hsu 开发了数据分析算法，使比较成为可能。
该合作依赖于 11 项不同的测试，黑洞模拟必须通过这些测试才能充分匹配真实的黑洞。
“我们非常了解射手座 A*，以至于我们有一些模型通过了 11 次测试中的 10 次，这非常了不起，”Chan 说。
测试考虑了一些变量，例如某些波长的亮度、图像大小以及黑洞周围发光环的大小和宽度。
“然而，没有一个模型通过了所有 11 项测试，”Chan 说。 模型最难击败的测试是可变性，它衡量黑洞每时每刻的变化程度。 模拟比真实的射手座 A* 更具可变性。
“无论我们运行模拟多久让他们安定下来，大多数模拟仍然未能通过测试，”陈说。 “它们与现实不太相符，但我认为这比一切都顺利解决更令人兴奋。现在，我们可以学习一些新的物理学，更好地了解我们自己的黑洞。”
数十年来，致力于了解黑洞的亚利桑那大学教职员工一直在应对这一挑战，并且是确定银河系中心黑洞和梅西耶 87 星系中心黑洞为理想研究目标的研究小组的成员。 . 该大学还贡献了用于创建这些图像的 EHT 阵列中的八台望远镜中的两台——亚利桑那州格雷厄姆山的亚毫米望远镜和南极洲的南极望远镜。 2019 年，UArizona 还将亚利桑那州基特峰的 12 米望远镜添加到阵列中。
总共有 36 名 UArizona 研究人员、研究生和本科生参与了 EHT 合作，其中包括天文学教授 Dimitrios Psaltis、Feryal Özel、Dan Marrone 以及研究教授和天文学家 Remo Tilanus。 天文学系主任 Buell Jannuzi 在 EHT 董事会任职。
