模拟显示磁场在超大质量黑洞周围产生了蓬松的吸积盘

加州理工学院的一个天体物理学家小组模拟了原始气体从早期宇宙到融入为超大质量黑洞提供能量的物质盘的过程，这是一个开创性的里程碑。 这一创新性模拟挑战了自 20 世纪 70 年代以来一直存在的有关这些圆盘的理论，并为理解黑洞和星系的生长和演化打开了新的大门。

这张模拟照片显示的是一个超大质量黑洞（或类星体），周围环绕着被称为吸积盘的物质漩涡。 图片来源：加州理工学院/菲尔-霍普金斯小组

理论天体物理学艾拉-S-鲍温教授菲尔-霍普金斯（Phil Hopkins）说："我们的新模拟标志着在加州理工学院开始的两个大型合作项目数年工作的顶点。"

第一个项目名为 FIRE（现实环境中的反馈），研究星系形成和碰撞等大尺度宇宙现象。 第二个项目被称为 STARFORGE，主要研究较小规模的过程，如单个气体云中恒星的形成。霍普金斯解释说："但两者之间存在着巨大的差距。现在，我们首次弥补了这一差距。 要实现这一目标，模拟的分辨率必须是以往该领域工作的1000倍以上。"

《天体物理学开放杂志》报道，令研究小组惊讶的是，模拟结果表明，在形成和塑造围绕超大质量黑洞旋转并为其提供养分的巨大物质盘时，磁场所起的作用比以前认为的要大得多。霍普金斯说："我们的理论告诉我们，磁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，磁盘实际上是蓬松的，更像是天使蛋糕。 我们的模拟帮助我们理解，磁场支撑着磁盘物质，使其更加蓬松。"

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"，这种巨大的天体位于许多星系的中心，包括我们的银河系。 这些贪婪而神秘的天体的质量是太阳质量的数千倍到数十亿倍不等，因此会对任何靠近的物体产生巨大的影响。

天文学家几十年前就知道，当气体和尘埃被这些黑洞的巨大引力吸入时，它们并不会立即被吸进去。 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。 当这些物质即将坠落时，会放射出巨大的能量，闪耀着宇宙中任何东西都无法比拟的光芒。 但是，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磁盘是如何形成和表现的，仍然知之甚少。

虽然之前已经对超大质量黑洞周围的磁盘进行了成像--地平线事件望远镜在2022年对环绕银河系中心黑洞的吸积盘进行了成像，在2019年对环绕梅西埃87黑洞的磁盘进行了成像--但这些磁盘比环绕类星体的磁盘要近得多，也温顺得多。 为了直观地了解这些更活跃、更遥远的黑洞周围发生了什么，天体物理学家们求助于超级计算机模拟。 他们将在这些星系环境中运行的物理学信息--从控制引力的基本方程到如何处理暗物质和恒星--输入数千个并行工作的计算处理器。 这些输入信息包括许多算法或一系列指令，供计算机按照这些算法或指令再现复杂的现象。 例如，计算机知道，一旦气体变得足够稠密，恒星就会形成。 但这一过程并非如此简单。

霍普金斯解释说："如果你只是说引力把一切都往下拉，然后最终气体形成恒星，恒星就这样堆积起来，那么你就会把一切都搞错。 毕竟，恒星会做很多影响周围环境的事情。 它们发出的辐射可以加热或推动周围的气体。 它们吹出的风就像我们太阳产生的太阳风，可以卷起物质。 它们以超新星的形式爆炸，有时会把物质发射出星系，或者改变周围环境的化学成分。 因此，计算机必须对这种"恒星反馈"的来龙去脉了如指掌，因为它控制着一个星系实际能形成多少恒星。"

模拟的早期剧照显示了星系合并的纠结。 资料来源：加州理工学院/菲尔-霍普金斯小组

但是，在这些较大的尺度上，最需要包含的物理集合以及可以做出的近似值与较小尺度上的不同。 例如，在银河尺度上，原子和分子行为的复杂细节极为重要，必须纳入任何模拟中。 然而，科学家们一致认为，当模拟的重点放在黑洞周围较近的区域时，分子化学在很大程度上可以被忽略，因为那里的气体太热，原子和分子无法存在。 相反，那里存在的是高温电离等离子体。

创建一个能够覆盖所有相关尺度的模拟，小到超大质量黑洞周围的单个吸积盘，是一个巨大的计算挑战--这也需要一个能够处理所有物理问题的代码。霍普金斯说："有些代码具备处理小尺度问题所需的物理学知识，有些代码具备处理大尺度宇宙学问题所需的物理学知识，但没有一种代码能同时具备这些知识。"

由加州理工学院领导的团队在大尺度和小尺度模拟项目中都使用了他们称之为 GIZMO 的代码。 重要的是，他们在构建 FIRE 项目时，为其添加的所有物理特性都能在 STARFORGE 项目中使用，反之亦然。霍普金斯说："我们以非常模块化的方式构建了它，这样你就可以为某个问题打开或关闭任何你想要的物理片段，但它们都是交叉兼容的。这使得科学家们能够在最新的工作中模拟出一个质量约为太阳1000万倍的黑洞，它始于宇宙早期。 当巨大的物质流从恒星形成的气体云中撕裂出来并开始围绕超大质量黑洞旋转时，模拟就会放大黑洞。 模拟可以继续放大，每一步都能分辨出更细的区域，因为它跟着气体一起飞向黑洞。"

新的模拟结果飞入了一个纠缠在一起的合并星系，最终放大到一个活跃的超大质量黑洞，或类星体，其周围是一个被称为吸积盘的物质漩涡盘。 气体的丝状流被卷入该圆盘，以足够的速度将气体输送进来，为宇宙中已知最亮的类星体提供燃料。 在模拟接近尾声时，磁场带走了旋转盘的角动量，这使得物质越卷越深，直到到达黑洞的事件视界，无法逃脱。 在这一模拟过程中，时间尺度放大了十亿倍。 颜色显示气体的密度，颜色越亮代表密度越高。 资料来源：加州理工学院/菲尔-霍普金斯小组

霍普金斯说："在我们的模拟中，我们看到黑洞周围形成了这个吸积盘。如果我们只是看到了这个吸积盘，我们会非常兴奋，但令人非常惊讶的是，模拟出来的吸积盘并不像我们几十年来认为它应该是的样子。因此，吸积盘几乎完全由磁场控制。磁场有很多功能，其中之一就是支撑吸积盘，让物质变得膨松。"

在 20 世纪 70 年代两篇描述超大质量黑洞吸积盘的开创性论文中，科学家们认为热压--即吸积盘中气体温度变化引起的压力变化--在防止吸积盘在靠近黑洞的巨大引力作用下坍塌方面起着主导作用。 他们承认，磁场可能在帮助支撑磁盘方面发挥了次要作用。 相比之下，新的模拟发现，这种磁盘的磁场压力实际上是气体热量压力的一万倍。

这一认识改变了科学家们对这种吸积盘的一系列预测，比如它们的质量、密度和厚度、物质从吸积盘进入黑洞的速度，甚至它们的几何形状（比如吸积盘是否可能是一边倒的）。

展望未来，霍普金斯希望这种弥合宇宙学模拟尺度差距的新能力将开辟许多新的研究途径。 例如，当两个星系合并时会发生什么详细情况？ 什么类型的恒星会在星系的稠密区域形成，那里的环境与太阳附近的环境不同？ 宇宙中第一代恒星可能是什么样子的？

题为《FORGE'd in FIRE: Resolving the End of Star Formation and Structure of AGN Accretion Disks from Cosmological Initial Conditions》的论文详细介绍了新的模拟结果，该论文发表在《天体物理学开放期刊》（The Open Journal of Astrophysics）上。

编译自/ScitechDaily

DOI: 10.21105/astro.2309.13115