从实验室: 黑洞的流体动力学解码

几个月前对引力波的首次探测再次证实了我们对宇宙的看法。具体地说，它证实了黑洞的存在，黑洞是宇宙中最神秘但最有趣的组成部分之一。虽然我们对黑洞的了解现在已经被证明是正确的，但仍然有许多我们不完全了解它们。我们小组最近在流体动力学方面的工作可能会揭示更多关于黑洞的信息。我们小组成功地找到了流体动力学中一个长期存在（百年）的问题的解决方案，其结果可以应用于对黑洞性质的更多了解。基于这项工作的一部分，我的一个学生Sujit Kumar Nath完成了他的博士论文。

在实验室实验中，科学家们经常观察到，当粘性流体受到某种“扰动”和摄动时，会诱发湍流运动。这种湍流运动是在流体中产生的，它是随时间增加的扰动的结果，即使在扰动结束后也是如此。如果不加以控制，这种扰动将增长到无限长的时间，并导致这种湍流。科学家们一直无法令人满意地解释为什么这种情况会发生在某些流动中。现有的流体力学数学模型到目前为止还不能解释这种湍流运动。

这种运动在一种叫做库埃特流的特殊流体流动中非常明显。正是在研究这个Couette流的时候，我们得到了对这个问题可能的解释的线索。平面Couette流是Couette流的一种更简单的形式，它涉及一个系统，在该系统中，流体被困在两个方向相反或速度相对不同的固体边界之间。沿着相反边界的流体层彼此发展出一个差速。当我们向流体层的中间移动时，差速减小，在某个点，差速变为零。在没有扰动的情况下，流体似乎是稳定的，但两层之间的粒子，具有不同的速度，仍然会被拖动，在其中产生一些热涨落。它使流体颗粒产生随机运动，我们称之为“噪声”。到目前为止，这种“噪音”在计算中被忽略了。

当我们把这种“噪声”连同常规干扰一起包括在计算中时，由数学模型抛出的结果与实验观测结果是一致的。

这种对暴露在某种扰动下的流体中不断增加的扰动的解释本身就是一个重大突破。解决了流体动力学中的一个重要问题。但这一解决方案对天体物理学中的类似问题也有重要意义。

我们知道黑洞不断地从附近的恒星和其他物体吸引物质。我们还知道，这些恒星，被黑洞吸引，有自己的公转。因此，由于黑洞的巨大拉力，从恒星中分离出来的物质也达到了切向速度和径向速度。正因为如此，所有飞向黑洞的质量开始以螺旋的方式运动，在黑洞周围产生了所谓的“吸积盘”。

就像Couette流一样，观测推断的湍流运动也不能用吸积盘中的数学/理论模型来解释。

切向速度和径向速度的差异产生了与Couette流非常相似的情况。从吸积盘的观测数据解释的流动剖面与我们在实验室实验中看到的流体相类似。

因此，我们相信在吸积盘中一定也产生了一些‘噪音'，直到现在我们的方程式中一定忽略了这些’噪音‘。我们关于黑洞的所有信息都来自于对吸积盘的观测，因为没有办法直接“看到”黑洞。如果对吸积盘的建模不当，我们可能会得到关于黑洞的错误信息。

我们认为，对我们的吸积盘模型进行一些重要的修改似乎是必要的。而这种修改很可能会揭示黑洞属性的新信息。

Banibrata Mukhopadhyay & team，IISc，Bangalore