FPIC：一种用于静态和轴对称黑洞时空的新型粒子在单元格中方法代码

《Astronomy and Computing》：FPIC: A new Particle-In-Cell code for stationary and axisymmetric black-hole spacetimes

　　

Claudio Meringolo|Luciano Rezzolla

摘要

在天体物理环境中，黑洞通常处于磁化的无碰撞等离子体中，这类等离子体的电动力学特性导致了所观测到的一些强能量辐射现象。为模拟这样的环境，采用动力学描述方法最为合适，它能揭示这类致密天体附近复杂现象的微观机制。近年来，广义相对论粒子在单元格模拟方法逐渐受到天体物理学界的重视，成为研究恒星级黑洞和超大质量黑洞事件视界附近区域的绝佳工具。在本文中，我们介绍了一种新开发的GRPIC代码框架，名为FPIC。我们详细介绍了该代码，它是用Fortran编写的，并利用MPI指令实现并行计算。麦克斯韦方程组通过基于跃进法的时域有限差分求解器来处理，同时通过多个粒子“推进器”来推动粒子的运动。除了现有的常用算法外，我们还引入了一种新型混合方法，该方法能根据哈密顿量能量的变化动态选择最合适的计算方案。我们首先展示了中性粒子绕黑洞运行的结果，分析了不同积分方案下哈密顿量误差的变化情况。通过我们的混合方法，证明了它在降低计算成本的同时仍能更好地保持能量守恒。此外，我们还展示了带电粒子在磁场中的运动情况，其中插值技术在维持哈密顿量守恒方面起着关键作用。接着，我们运用FPIC研究了瓦尔德解，先是电真空环境，然后是充满等离子体的环境。在后者中，无穷远处具有负能量的粒子会出现在能层内部，这表明彭罗斯过程正在发生。最后，我们在充满等离子体的环境中研究了分裂单极子解，成功再现了布兰福德-兹纳耶克光度公式，其结果与分析预测非常吻合。