3D模擬表明超大質(zhì)量黑洞吞噬速度比預(yù)期更快

銀河系中心的黑洞擁有出人意料的“送餐服務(wù)”，這令黑洞能夠在數(shù)月內(nèi)得到 “食物”無需等上數(shù)百年。

模擬器截圖顯示，超大質(zhì)量黑洞盡情享用周圍的氣盤和塵埃盤。（圖源：亞歷山大·契科夫斯科伊（A. Tchekhovskoy）/尼克·卡茲（Nick Kaaz）/西北大學(xué)）

超大質(zhì)量黑洞可能擁有完全出人意料的宇宙外賣服務(wù)，為它提供豐盛的氣體和塵埃。這可能導(dǎo)致宇宙巨頭黑洞的進(jìn)食速度比科學(xué)家預(yù)期的要快得多，它們在數(shù)月里貪婪地進(jìn)食，而不是數(shù)百年或是數(shù)千年里。

有人認(rèn)為，超大質(zhì)量黑洞位于大多數(shù)星系的中心，其質(zhì)量是太陽的數(shù)百萬甚至數(shù)十億倍。當(dāng)大片氣體和塵埃，即吸積盤環(huán)繞時，黑洞會驅(qū)動類星體。類星體是活躍星系明亮的核心，亮度甚至能夠超過整個星系中每顆星星的加起來的亮度。

關(guān)于黑洞進(jìn)食速度的新發(fā)現(xiàn)，可能有助于揭示超大質(zhì)量黑洞如何吞噬周圍物質(zhì)以及吞噬過程如何影響星系的演化。

這項研究是經(jīng)高分辨率三維模擬得出的結(jié)果，研究由一支科學(xué)家團(tuán)隊推進(jìn)，原先是研究黑洞的動力學(xué)，卻意外地捕捉到了黑洞驚人的進(jìn)食速度這一難以捕捉的現(xiàn)象。一些類星體的真實(shí)觀測結(jié)果也可以佐證黑洞快速的進(jìn)食速度，其中一些類星體在幾個月內(nèi)會從發(fā)光到暗淡。

科學(xué)家團(tuán)隊負(fù)責(zé)人、西北大學(xué)的天文學(xué)家尼克·卡茲（Nick Kaaz）在一份聲明中表示，“黑洞如何蠶食氣體是吸積盤物理學(xué)的核心問題。如果知道這是如何發(fā)生的，這將告訴我們吸積盤持續(xù)多久，有多亮，以及我們用望遠(yuǎn)鏡觀測時光譜是什么樣的。”

超大質(zhì)量黑洞在用餐時簡直是個打撈器。

超大質(zhì)量黑洞巨大無比，在旋轉(zhuǎn)時，它們會拖拽時空的結(jié)構(gòu)，這一現(xiàn)象被稱為“空間拖曳”（frame dragging）或“倫塞-西凌”效應(yīng)（Lense-Thirring effect）。奧克里奇國家實(shí)驗室（Oak Ridge National Laboratory）的超級計算機(jī)Summit的三維模擬顯示，這種空間的扭曲會撕裂吸積盤，使其分裂成內(nèi)部和外部的“子盤”。

超大質(zhì)量黑洞先吞食內(nèi)部盤中的氣體和塵埃，將內(nèi)部盤當(dāng)作開胃菜。與此同時，外部盤中的物質(zhì)進(jìn)入，最終填補(bǔ)了黑洞吞食內(nèi)部盤留下的空隙。而后，這個被填滿的盤成為主菜，黑洞重新開始進(jìn)食。

模擬器截圖顯示，超大質(zhì)量黑洞盡情享用周圍的氣盤和塵埃盤的新方式。（圖源：亞歷山大·契科夫斯科伊（A. Tchekhovskoy）/尼克·卡茲（Nick Kaaz）/西北大學(xué)）

該研究團(tuán)隊的模擬計算表明，黑洞吞噬、補(bǔ)充食物、再次吞噬的整個過程在短短幾個月內(nèi)就能完成，比之前計算的時間尺度明顯要快得多。這可能最終解釋了為什么有些類星體會快速閃爍然后消失。

卡茲表示，“古典吸積盤理論預(yù)測吸積盤會緩慢演化，但有些類星體（由黑洞從吸積盤中吞噬氣體形成）似乎會在短短幾個月到幾年的時間里發(fā)生巨變。這種變化非常劇烈?！?/p>

卡茲還是天體物理學(xué)跨學(xué)科探索與研究中心（CIERA）的成員。他指出，從模擬中可以看出，類星體發(fā)光的吸積盤內(nèi)部（大多數(shù)光線由此發(fā)出）會被摧毀而后重新補(bǔ)充。

“傳統(tǒng)吸積盤理論無法解釋這種劇烈的變化，”卡茲說，“但我們在模擬中看到的現(xiàn)象可能可以解釋。光線的快速變亮和變暗與被摧毀的內(nèi)部區(qū)域盤是一致的?！?/p>

超大質(zhì)量黑洞吃類似陀螺儀中的內(nèi)盤而不是外盤

模擬器截圖顯示，超大質(zhì)量黑洞盡情享用周圍的氣盤和塵埃盤的新方式。（圖源：亞歷山大·契科夫斯科伊（A. Tchekhovskoy）/尼克·卡茲（Nick Kaaz）/西北大學(xué)）

一些科學(xué)家提出，盡管環(huán)繞超大質(zhì)量黑洞的吸積盤經(jīng)歷了猛烈的情況，但受坐落在中心處超大質(zhì)量黑洞的引力影響，這些吸積盤秩序井然。受黑洞引力影響，吸積盤中的氣體和塵埃繞著黑洞旋轉(zhuǎn)，同時，停留在同一平面上，沿著與黑洞相同的旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)，而氣體逐漸落到黑洞的外邊界。這一邊界被稱為“事件視界”（event horizon）。

卡茲說：“過去幾十年來，天文學(xué)家曾做出了一個大膽的假設(shè)——吸積盤與黑洞的旋轉(zhuǎn)方向一致。但是黑洞的“食物”氣體不一定知道黑洞的旋轉(zhuǎn)方向，那么氣體為什么會自動跟隨黑洞旋轉(zhuǎn)呢？改變黑洞和氣體之間的默契，整體情況會有所不同?！?/p>

這張新出爐的圖片顯示，正在進(jìn)食的超大質(zhì)量黑洞身處的環(huán)境更加混亂和動蕩。

模擬器截圖顯示，超大質(zhì)量黑洞盡情享用周圍的氣盤和塵埃盤的新方式。（圖源：亞歷山大·契科夫斯科伊（A. Tchekhovskoy）/尼克·卡茲（Nick Kaaz）/西北大學(xué)）

這一現(xiàn)象歸結(jié)于倫塞-西凌效應(yīng)（Lense-Thirring effect）。物體接近黑洞中心時，這種效應(yīng)會變得愈發(fā)強(qiáng)烈，從而導(dǎo)致吸積盤擺動，最內(nèi)部區(qū)域旋轉(zhuǎn)速度更快。這類似于一個旋轉(zhuǎn)的陀螺，速度減慢時開始擺動，但內(nèi)盤的擺動比外盤更劇烈。

這使整個磁盤系統(tǒng)發(fā)生彎曲，并導(dǎo)致來自不同區(qū)域的氣體相互碰撞，產(chǎn)生明亮的沖擊波，促使物質(zhì)越來越靠近超大質(zhì)量黑洞本身。最終，擺動效應(yīng)變得異常強(qiáng)烈，以至于吸積盤分裂。由此產(chǎn)生的內(nèi)盤和外盤分別演化并產(chǎn)生不同的擺動。到這時，整個吸積盤更像是一個陀螺儀的環(huán)，而不是一個旋轉(zhuǎn)的盤子。

卡茲說：“撕裂時，內(nèi)盤會獨(dú)立地向前推進(jìn)。它旋轉(zhuǎn)得更快，因為它離黑洞更近，而且它很小，所以更容易移動?！?/p>

模擬器截圖顯示，超大質(zhì)量黑洞盡情享用周圍的氣盤和塵埃盤的新方式。（圖源：亞歷山大·契科夫斯科伊（A. Tchekhovskoy）/尼克·卡茲（Nick Kaaz）/西北大學(xué)）

該團(tuán)隊創(chuàng)建的模擬器表明，超大質(zhì)量黑洞的瘋狂進(jìn)食始于內(nèi)盤和外盤之間的分裂處，即“撕裂區(qū)”。此外，在摩擦力試圖統(tǒng)一內(nèi)外盤的同時，倫塞-西凌效應(yīng)進(jìn)一步將它們分開。

卡茲說：“黑洞的旋轉(zhuǎn)與盤內(nèi)的摩擦力和壓力之間存在競爭。撕裂區(qū)是黑洞獲勝的地方。內(nèi)盤和外盤相互碰撞，外盤削去內(nèi)盤的外層，將其向黑洞內(nèi)推?！?/p>

模擬器截圖顯示，超大質(zhì)量黑洞盡情享用周圍的氣盤和塵埃盤的新方式。（圖源：亞歷山大·契科夫斯科伊（A. Tchekhovskoy）/尼克·卡茲（Nick Kaaz）/西北大學(xué)）

因為內(nèi)外盤的旋轉(zhuǎn)方向各不相同，外盤物質(zhì)流入內(nèi)盤，推動內(nèi)盤靠近黑洞，加快了內(nèi)盤被黑洞吞噬的速度。與此同時，黑洞巨大的引力將外盤物質(zhì)拉入內(nèi)盤所在的位置。

“吸積盤內(nèi)部區(qū)域是大部分亮度來源，但亮度可能會在數(shù)月內(nèi)完全消失——消失得非?？?，”卡茲說，“我們基本上能看到光亮完全消失。內(nèi)外盤不再發(fā)光，而后再次發(fā)光，這一過程又重新開始。過往的理論一開始無法解釋內(nèi)外盤亮度為什么會消失，同時也沒有解釋它是如何快速地被重新充滿的?！?/p>

BY:Robert Lea

FY:朱思穎Haily

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