利用带有 M1 闭合关系的新代码 HARMRAD 对超爱丁顿吸积进行三维广义相对论辐射磁流体动力学模拟

黑洞 (BH) 吸积流和喷流是动态的热相对论磁化等离子体流，其辐射不透明度会显著影响流的结构和行为。我们描述了一种数值方案、测试以及在天体物理学上的相关应用，该应用在一个名为 HARMRAD 的新型三维 (3D) 广义相对论 (GR) 辐射 (R) 磁流体动力学 (MHD) 大规模并行代码中使用了 M1 辐射闭合关系。我们对快速旋转黑洞（无量纲自旋 $j=0.9375$）上超爱丁顿吸积（约为爱丁顿极限的 $20$ 倍）的 3D GRRMHD 模拟显示，存在持续的非轴对称盘湍流、由 Blandford-Znajek 效应驱动的持久电磁喷流，以及始终接近爱丁顿速率的总辐射输出。总吸积效率约为 $20\%$，大尺度电磁喷流效率约为 $10\%$，而到达远距离的总辐射效率仍然很低，仅为 $1\%$ 量级。然而，辐射喷流和电磁喷流均从几何聚束的极区出现，具有超爱丁顿的各向同性等效光度。此类使用 HARMRAD 的模拟可以阐明黑洞自旋与盘在启动喷流中的作用，帮助确定 X 射线双星中光谱和时间态的起源，帮助理解潮汐瓦解事件 (TDEs) 的机制，为 M87 和其他活动星系核 (AGN) 提供精确的视界尺度流结构，并区分 AGN 反馈是由辐射驱动还是由电磁、热或动能风/喷流驱动。例如，我们模拟中较低辐射效率和微弱的黑洞自旋减慢率表明，即使在快速旋转的黑洞和十个太阳质量的黑洞种子条件下，黑洞在宇宙学时间尺度上增长到数十亿太阳质量（红移 $z\sim 6-8$）也是可实现的。