黑洞吞噬的速度比之前预期的要快新发现可能解释为什么类星体耀斑和消退得如此之快

西北大学领导的一项新研究正在改变天体物理学家理解超大质量黑洞饮食习惯的方式。虽然之前的研究人员假设黑洞吃东西的速度很慢，但新的模拟表明，黑洞吃东西的速度比传统理解所暗示的要快得多。

这项研究题为“喷嘴冲击、盘撕裂和流光在扭曲薄盘的3DGRMHD模拟中驱动快速吸积”，发表在《天体物理学杂志》上。

根据新的高分辨率3D模拟，旋转的黑洞会扭曲周围的时空，最终撕裂包围并供给黑洞的剧烈气体漩涡(或吸积盘)。这会导致磁盘撕裂成内部子磁盘和外部子磁盘。黑洞首先吞噬内环。然后，来自外子盘的碎片向内溢出，以重新填充被完全消耗的内环留下的间隙，并且重复该消耗过程。

无限重复的吃-补充-吃过程的一个周期只需要几个月的时间——与研究人员之前提出的数百年相比，这个时间尺度快得惊人。

这一新发现可能有助于解释夜空中一些最亮物体的戏剧性行为，包括类星体，它们突然爆发，然后毫无解释地消失。

“经典吸积盘理论预测吸积盘演化缓慢，”领导这项研究的西北大学尼克·卡兹说。“但是一些类星体——由黑洞吞噬吸积盘中的气体而产生——似乎在数月到数年的时间尺度上发生了巨大的变化。这种变化是如此剧烈。它看起来像吸积盘的内部——大部分光都在那里“来自——被破坏然后又被补充。经典的吸积盘理论无法解释这种剧烈的变化。但我们在模拟中看到的现象可能可以解释这一点。快速变亮和变暗与吸积盘内部区域被破坏是一致的。”

Kaaz是西北大学温伯格艺术与科学学院的天文学研究生，也是天体物理学跨学科探索与研究中心(CIERA)的成员，论文合著者、西北大学物理和天文学副教授AlexanderTchekhovskoy为他提供了建议。温伯格和CIERA成员。

错误的假设

黑洞周围的吸积盘是物理上复杂的物体，这使得它们的建模极其困难。传统理论一直难以解释为什么这些圆盘如此明亮，然后突然变暗——有时甚至完全消失。

之前的研究人员错误地认为吸积盘是相对有序的。在这些模型中，气体和粒子在黑洞周围旋转——与黑洞在同一平面上，并且与黑洞旋转的方向相同。然后，在数百至数十万年的时间尺度内，气体粒子逐渐螺旋进入黑洞并为其提供食物。

卡兹说：“几十年来，人们做出了一个非常大的假设，即吸积盘与黑洞的旋转一致。”“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图像。”

研究人员的模拟是迄今为止最高分辨率的吸积盘模拟之一，表明黑洞周围的区域比之前想象的更加混乱和动荡。

更像是陀螺仪，而不是盘子

研究人员利用位于橡树岭国家实验室的世界上最大的超级计算机之一Summit，对薄型倾斜吸积盘进行了3D广义相对论磁流体动力学(GRMHD)模拟。虽然之前的模拟不够强大，无法包含构建真实黑洞所需的所有必要物理知识，但西北大学领导的模型包括气体动力学、磁场和广义相对论，以构建更完整的图景。

卡兹说：“黑洞是极端广义相对论物体，会影响它们周围的时空。”“因此，当它们旋转时，它们会像一个巨大的旋转木马一样拖动周围的空间，并迫使其旋转——这种现象称为“框架拖动”。这会在靠近黑洞的地方产生非常强烈的效应，而在远离黑洞的地方会变得越来越弱。”

框架拖动使整个圆盘绕圈摆动，类似于陀螺仪的进动方式。但内盘的摆动速度比外盘要快得多。这种力的不匹配会导致整个圆盘扭曲，从而导致圆盘不同部分的气体发生碰撞。碰撞产生明亮的冲击，猛烈地推动物质越来越接近黑洞。

随着扭曲变得更加严重，吸积盘的最内部区域继续摆动得越来越快，直到它与吸积盘的其余部分分开。然后，根据新的模拟，子磁盘开始彼此独立地演化。子盘不像黑洞周围的平板那样平滑地一起移动，而是像陀螺仪中的轮子一样以不同的速度和角度独立摆动。

“当内盘撕裂时，它将独立进动，”卡兹说。“它进动速度更快，因为它更靠近黑洞，而且它很小，所以更容易移动。”

“黑洞获胜的地方”

根据新的模拟，撕裂区域(内部子盘和外部子盘断开的地方)是进食狂潮真正开始的地方。虽然摩擦力试图将圆盘保持在一起，但旋转黑洞对时空的扭曲却想将其撕裂。

卡兹说：“黑洞的旋转与盘内的摩擦力和压力之间存在竞争。”“撕裂区域是黑洞获胜的地方。内盘和外盘相互碰撞。外盘削掉内盘的层，将其向内推。”

现在子磁盘以不同的角度相交。外盘将材料倾倒在内盘的顶部。这个额外的质量还将内盘推向黑洞，并在那里被吞噬。然后，黑洞自身的重力将气体从外部区域拉向现在空的内部区域以重新填充它。

类星体连接

卡兹说，这些快速的吃-补充-吃的循环可能解释了所谓的“改变外观”的类星体。类星体是极其发光的天体，其发射的能量比整个银河系2000亿至4000亿颗恒星多出1000倍。类星体的外观变化更为极端。它们似乎会在数月的时间内开启和关闭——对于典型的类星体来说，这个时间很短。

尽管经典理论对吸积盘演化和亮度变化的速度提出了假设，但对外观变化的类星体的观察表明它们实际上演化得快得多。

卡兹说：“吸积盘的内部区域是大部分亮度的来源，在几个月内很快就会完全消失。”“我们基本上看到它完全消失。系统停止变亮。然后，它再次变亮，并且重复这个过程。传统理论没有任何方法来解释为什么它首先消失，也没有解释如何消失它补充得如此之快。”

新的模拟不仅有可能解释类星体，还可以回答有关黑洞神秘本质的持续问题。

“气体如何到达黑洞并为其提供营养是吸积盘物理学的核心问题，”卡兹说。“如果你知道这是如何发生的，它会告诉你这个圆盘能持续多久，它有多亮，以及当我们用望远镜观察它时，它的光应该是什么样子。”