3D模拟显示超大质量黑洞比预期吞噬得更快

五毒男孩又

模拟截图显示了超大质量黑洞享用周围气体和尘埃圆盘的新方式。(图片鸣谢:a . Tchekhovskoy/Nick Kaaz/西北大学)

（）据美国太空网（罗伯特·李）：超大质量黑洞可能有一个完全意想不到的宇宙运输服务，为它们提供气体和尘埃来享用。这可能会导致宇宙巨人进食的速度比科学家们预期的要快得多，他们会在几个月的时间内狼吞虎咽，而不是几百年甚至几千年。

超大质量黑洞的质量是太阳的数百万甚至数十亿倍，被认为居住在大多数星系的中心，当它们被称为吸积盘的巨大气体和尘埃板包围时，它们为类星体提供动力。类星体是活跃星系的明亮核心，它们非常明亮，比周围整个星系中所有恒星的光加起来还要亮。

这些关于黑洞进食率的新发现可能有助于阐明超大质量空洞如何吞噬周围的物质，以及这一过程如何影响星系的演化。

这项研究是由一组科学家进行的高分辨率3D模拟的结果，他们开始了解黑洞动力学，并最终捕捉到这些难以捉摸的现象惊人的快速传播速度。此外，这种增加的速率也可能得到类星体真实世界观测的支持，其中一些类星体会在几个月的时间尺度内变亮和变暗。

“气体如何到达黑洞并为其提供食物是吸积盘物理学的核心问题，”小组组长、西北大学天文学家尼克·卡兹在一份声明中说。“如果你知道这是如何发生的，它将告诉你这个圆盘持续多长时间，它有多亮，以及当我们用望远镜观察它时，光应该是什么样子的。”

超大质量黑洞在用餐时是如此的累赘

超大质量黑洞如此巨大，以至于当它们旋转时，它们会拖着空间和时间的结构一起旋转，这种现象被称为“帧拖曳”或“透镜-三环效应”。使用橡树岭国家实验室的Summit超级计算机进行的3D模拟显示，这种空间扭曲撕裂了吸积盘，并导致它们分裂为内部和外部“子盘”。

在某种程度上，超大质量黑洞把内部圆盘当作开胃菜，因为它们通过吞噬首先在那里发现的气体和尘埃开始它们的晚餐。当这发生时，外层圆盘的物质过滤进来，最终填满黑洞吞噬内层圆盘后留下的空隙。这个填满的圆盘就变成了主菜，让喂食过程重新开始。



模拟截图显示了超大质量黑洞享用周围气体和尘埃圆盘的新方式。(图片鸣谢:a . Tchekhovskoy/Nick Kaaz/西北大学)

该团队的模拟显示，黑洞的整个宇宙进食经历，即进食、再进食、再进食，可以在仅仅几个月的时间内进行，这比之前计算的时间尺度要快得多。这可能最终解释了为什么一些类星体快速闪烁，然后消失。

“经典吸积盘理论预测，圆盘演化缓慢，”Kaaz说。“但是一些类星体——由黑洞吞噬吸积盘中的气体而产生——似乎会在几个月到几年的时间尺度内发生剧烈变化。这种变化如此剧烈。”

Kaaz也是天体物理学跨学科探索和研究中心(CIERA)的成员，他补充说，从模拟来看，看起来像是圆盘的内部部分——类星体的大部分光来自那里——被破坏，然后被补充。

“经典吸积盘理论无法解释这种剧烈的变化，”他说。“但是我们在模拟中看到的现象有可能解释这一点。快速变亮和变暗与光盘内部被破坏的区域一致。”

超大质量黑洞吃陀螺仪而不是盘子



模拟截图显示了超大质量黑洞享用周围气体和尘埃圆盘的新方式。(图片鸣谢:a . Tchekhovskoy/Nick Kaaz/西北大学)

一些科学家认为，超大质量黑洞周围的吸积盘非常有序，尽管由于超大质量黑洞位于其中心的引力影响，它们经历了激烈的条件。由于这种影响，吸积盘中的气体和尘埃围绕黑洞运行，同时停留在同一平面上，并以与空洞相同的方向旋转，气体非常缓慢地落到黑洞的外部边界。这个边界被称为事件视界。

“几十年来，人们做了一个非常大的假设，吸积盘与黑洞的旋转一致，”Kaaz说。“但是供给这些黑洞的气体不一定知道黑洞旋转的方向，那么为什么它们会自动对齐呢？改变对齐方式会极大地改变画面。”

这张新呈现的照片显示了一个正在进食的超大质量黑洞周围更加混乱和动荡的环境。



模拟截图显示了超大质量黑洞享用周围气体和尘埃圆盘的新方式。(图片鸣谢:a . Tchekhovskoy/Nick Kaaz/西北大学)

这种现象的核心是lens-thir ring效应，当你靠近中心黑洞时，这种效应会变得更强，导致吸积盘抖动，最里面的区域旋转得更快。这相当于一个旋转的陀螺，当它慢下来时就开始摆动，但内部吸积的摆动比外部圆盘的摆动更极端。

这扭曲了整个圆盘系统，导致来自不同区域的气体相互碰撞，产生明亮的冲击波，并驱使物质越来越靠近超大质量黑洞本身。最终，摆动效应变得如此强烈，吸积盘分裂。合成的内外盘分别演化，形成不同的摆动。在那一点上，整个吸积盘更像是陀螺仪的环，而不是旋转的盘子。

“当内部圆盘撕裂时，它将独立进动，”Kaaz说。“它进动得更快，因为它更靠近黑洞，而且因为它很小，所以更容易移动。”



模拟截图显示了超大质量黑洞享用周围气体和尘埃圆盘的新方式。(图片鸣谢:a . Tchekhovskoy/Nick Kaaz/西北大学)

该团队创建的模拟表明，超大质量黑洞的疯狂进食始于内盘和外盘之间的断裂或“撕裂区域”。此外，当摩擦力试图将圆盘结合在一起，而lens-thir ring效应进一步将它们分开时，就会发生这种情况。

“黑洞的旋转与圆盘内部的摩擦和压力之间存在竞争，”Kaaz说。“撕裂区域是黑洞获胜的地方。内盘和外盘相互碰撞。外盘刮掉内盘的几层，向内推它



模拟截图显示了超大质量黑洞享用周围气体和尘埃圆盘的新方式。(图片鸣谢:a . Tchekhovskoy/Nick Kaaz/西北大学)

因为这些圆盘以不同的角度定向，所以外盘将物质倒在内盘上，这将内盘推得更靠近黑洞，加快了它被黑洞吞噬的速度。当这种情况发生时，黑洞的巨大引力吸引外层圆盘，迫使它取代内层圆盘。

“吸积盘的内部区域，也就是大部分亮度的来源，可能会在几个月内完全消失——真的很快，”Kaaz说。“我们基本上看到它完全消失了。系统不再明亮。然后，它再次变亮，重复这个过程。常规理论没有任何办法解释它最初为什么会消失，也解释不了它是如何如此迅速地重新填充的。”

该团队的研究发表在周三(9月20日)的《天体物理学杂志》上。