Yan-Fei Jiang 是计算天体物理中心的副研究员黑洞通常会让人联想到太空中黑暗空洞的图像。但对于理论天体物理学家蒋彦飞来说，它们什么都不是。穿着蓝色、红色和黄色的层层叠叠，他对黑洞的模拟充满了色彩。
在Flatiron Institute ，Jiang 开发了复杂的三维计算机模拟，以研究围绕黑洞旋转的物质盘，并模拟其他极端的宇宙环境，在这些环境中，光与重力抗争。这项工作正在帮助 Jiang 和他的合作者了解宇宙中一些最极端的环境。
自 2019 年以来，Jiang 一直是熨斗研究所计算天体物理中心(CCA) 的副研究员。在加入 CCA 之前，他是加州大学圣巴巴拉分校 Kavli 理论物理研究所的 KITP 研究员。 Jiang 在普林斯顿大学获得天体物理学博士学位，在北京清华大学获得物理学学士学位。
蒋最近向西蒙斯基金会讲述了他模拟宇宙的工作。为清楚起见，对对话进行了编辑。
你目前在做什么项目？
我的主要工作重点是开发通用计算机模拟工具来求解各种不同天体物理系统中的辐射和磁流体动力学方程。辐射方程是那些处理能量转移的基本物理过程的方程。在天体物理环境中，这些方程式用于描述热气体如何发射光子以及该能量如何向外传输。这些方程还描述了光子如何被气体吸收或散射，从而赋予气体动量。另一方面，磁流体动力学是对导电流体磁场的研究。我处理的流体是气体和等离子体，这是电离物质的第四种状态。
大质量恒星在许多天体物理环境中起着重要作用，例如恒星形成和星系中星际介质的结构。然而，对于理解大质量恒星的演化和命运至关重要的大质量恒星的结构和质量损失仍然是个谜。在 Mira 上对 80 个太阳质量的恒星包层进行了全球辐射流体动力学模拟，以寻找答案。铁不透明度峰值区域周围的对流导致此处看到的湍流结构。恒星核心附近的黄色区域密度最高。低密度风在地表附近发射。图片来源：Yan-Fei Jiang、Matteo Cantiello、Lars Bildsten、Eliot Quataert、Omer Blaes、James Stone 和 Joseph A. Inslsey。这项研究使用了阿贡领导力计算设施的资源。
现在，我专注于创建包括辐射和磁流体动力学组件的 3D 模拟，以研究两种不同的天体物理系统——恒星和致密天体，其中包括黑洞和中子星。对于黑洞，我正在模拟它们的吸积盘，吸积盘是在黑洞周围聚结的扁平物质盘，被黑洞引力拉入。
黑洞在星系的结构和演化中扮演着重要的角色。它们也是引力波的重要来源。然而，黑洞周围的吸积盘在理论上很难建模——没有一个模型可以完全解释所有黑洞是如何生长的。我的工作重点是改进吸积过程的模拟。在我的模拟中，我加入了辐射方程来描述黑洞周围的物质如何升温、发光并与磁场相互作用。最重要的想法是我的模拟最终可以直接与观察结果进行比较，看看我们是否正确地理解了黑洞周围的机制。
我还使用 3D 模拟来了解大质量恒星的表面结构，在不同的演化阶段，这些恒星的质量可能是太阳的 20 到 100 倍。在这些质量下，恒星的表层受到辐射压力的支撑，这意味着由于光子的散射和吸收而产生的压力甚至比引力更大。这使得表层非常不稳定。通过 3D 模拟，我们可以研究该层在不断变化的条件下的行为，例如光度或温度的波动。这对于我们了解这些恒星的外观以及它们将如何演化至关重要。我们对恒星 3D 结构的了解也可以纳入传统的 1D 恒星演化模型。
你如何进行这些模拟？
我们从一维模型开始。我们使用由科学界开发和公开的不同一维模型，包括一种称为 MESA 的常见模型。我们运行这些一维模型来研究恒星的演化，直到我们到达我们想要更详细地了解恒星生命中的某个点。然后，我们将通过 1D 模型找到的密度、光度和温度等参数输入到我们的 3D 模型中。
我们使用这种方法是因为 1D 模型在某个点会崩溃。它们变得过于简单，无法描述恒星中正在发生的事情。 3D 模型可以帮助我们看得更深。然而，它们对计算要求很高，所以我们不能在恒星的整个生命周期中运行它们。
我们的 3D 模型基于 Jim Stone 及其合作者开发的代码。在此代码中，我添加了描述光子如何四处移动的辐射传输算法。这种运动与现有的磁流体动力学算法相结合，以描述起作用的磁过程。
直到最近几年，科学家们才真正开始在模拟中包含辐射方程，通常这是通过大量近似和假设来完成的，因为它们非常复杂。我们通过尝试在不使用任何假设的情况下求解方程式，使这一步更进一步。
CCA 提供的计算资源使我能够完成需要大量计算时间的工作。在大多数机构，你必须申请才能获得使用国家超级计算机的时间，但这是无法保证的。在 CCA，我们拥有高效且强大的内部超级计算集群。我的大部分工作只需使用中心提供的集群即可完成。 CCA 还让我可以灵活地与其他机构的学生一起工作，这使得合作变得有趣。
密度（左图）和辐射能量密度（右图）在 5×10^8 太阳质量黑洞周围的吸积盘内部 40 个引力半径处的快照，吸积率是爱丁顿吸积率的 25 倍和 52 倍。盘中形成显着的旋臂。参考资料：Y Jiang等。应用杂志 2019. 880, 67.你的模拟需要多长时间？
它们通常需要几个月才能完成，但我们同时进行了很多项目，因为我们不能只是等待单个模拟完成。我们不断地在项目之间来回切换，并检查我们正在运行的模拟，以确保它们正常工作并输出正确的信息。
为什么了解这些系统很重要？
黑洞在我们在天文学中看到的各种宇宙现象中扮演着非常重要的角色。
星系中心吸积黑洞发出的光比星系中恒星发出的光更亮。来自黑洞的辐射在调节整个宇宙中星系的生长方面也起着重要作用。
我们在附近宇宙中看到的许多高能天体包括黑洞或中子星。这种紧凑的物体对于理解强引力状态下的物理学非常有用。通过研究这些物体，我们可以了解宇宙中一些最奇异的系统。