宇宙模拟揭示黑洞如何生长和演化

加州理工学院领导的天体物理学家团队首次成功模拟了从早期宇宙到被卷入物质盘并给单个超大质量黑洞提供能量的阶段的原始气体的旅程。新的计算机模拟颠覆了天文学家自 1970 年代以来对此类物质盘的看法，为黑洞和星系如何成长和演化的新发现铺平了道路。

“我们的新模拟标志着加州理工学院两项大型合作数年工作的成果，”艾拉·S·鲍文理论天体物理学教授菲尔·霍普金斯说。

第一个合作项目名为 FIRE (现实环境中的反馈)，专注于宇宙的更大尺度，研究诸如星系如何形成以及星系碰撞时会发生什么等问题。另一个合作项目名为 STARFORGE，旨在研究更小的尺度，包括恒星如何在单个气体云中形成。“但两者之间存在巨大的差距，”霍普金斯解释说。“现在，我们首次弥合了这一差距。”为了做到这一点，研究人员必须建立一个分辨率比该领域之前的最佳分辨率高出 1,000 倍以上的模拟。

令研究小组惊讶的是，根据 《天体物理学开放杂志》的报道，模拟结果显示，磁场在形成和塑造围绕超大质量黑洞旋转并为其提供能量的巨大物质盘方面发挥的作用比之前认为的要大得多。霍普金斯说：“我们的理论告诉我们，这些物质盘应该像薄饼一样扁平。但我们知道这是不对的，因为天文观测显示，这些物质盘实际上是蓬松的——更像天使蛋糕。我们的模拟帮助我们理解，磁场支撑着物质盘，使其变得更蓬松。”

使用“超级放大”技术可视化超大质量黑洞周围的活动

在新的模拟中，研究人员对单个超大质量黑洞进行了所谓的“超级放大”，这个巨大的物体位于许多星系的中心，包括我们自己的银河系。这些贪婪而神秘的天体的质量是太阳的数千倍到数十亿倍，因此对任何靠近的物体都会产生巨大影响。

几十年来，天文学家们都知道，当气体和尘埃被这些黑洞的巨大引力吸入时，它们不会立即被吸入。相反，这些物质首先会形成一个快速旋转的圆盘，称为吸积盘。当这些物质即将落入黑洞时，它会辐射出巨大的能量，发出宇宙中几乎任何东西都无法比拟的光辉。但人们对这些活跃的超大质量黑洞(称为类星体)以及为它们提供能量的圆盘是如何形成和行为的仍知之甚少。

虽然之前也曾拍摄到过超大质量黑洞周围的圆盘——事件视界望远镜 于 2022 年 拍摄了围绕我们银河系中心黑洞的圆盘，2019 年拍摄了 M87 的圆盘 ——但这些圆盘比围绕类星体旋转的圆盘要近得多，也更温和。为了直观地观察这些更活跃、更遥远的黑洞周围发生的情况，天体物理学家求助于超级计算机模拟。他们将这些银河系环境中的物理信息——从控制引力的基本方程到如何处理暗物质和恒星——输入到数千个并行工作的计算处理器中。这些输入包括许多算法或一系列指令，供计算机遵循以重现复杂现象。例如，计算机知道一旦气体变得足够密集，就会形成恒星。但这个过程并不是那么简单。

霍普金斯解释道：“如果你只是说引力将一切都拉下来，然后最终气体形成恒星，恒星逐渐积累，那么你就大错特错了。”毕竟，恒星会做很多事情来影响周围环境。它们发出辐射，加热或推动周围的气体。它们吹出像太阳风一样的风，这种风可以卷走物质。它们会爆发成超新星，有时会将物质从星系中抛射出去，或者改变周围环境的化学性质。因此，计算机也必须了解这种“恒星反馈”的所有细节，因为它决定了一个星系实际上可以形成多少颗恒星。

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