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之旅。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，为黑洞和星系如何生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差距，”霍普金斯解释道。“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，正如《天体物理学开放杂志》所报道的，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以前认为的要大得多。
霍普金斯说：“我们的理论告诉我们，这些圆盘应该像薄饼一样扁平。但我们知道这是不对的，因为天文观测表明这些圆盘实际上是蓬松的——更像天使蛋糕。我们的模拟帮助我们理解磁场正在支撑圆盘材料，使其变得更蓬松。”
图片来源：加州理工学院
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。
虽然之前曾对超大质量黑洞周围的圆盘进行过成像——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，并于 2019 年拍摄了围绕梅西耶 87 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。
为了直观地了解这些更加活跃和遥远的黑洞周围发生的事情，天体物理学家求助于超级计算机模拟。他们将这些星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，计算机可以遵循这些指令来重现复杂的现象。例如，计算机知道一旦气体密度足够大，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拉下，然后最终气体形成恒星，恒星就这样不断积累，那你就大错特错了。”
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。它们吹出类似太阳风的风，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，因为它决定着一个星系实际上可以形成多少颗恒星。
构建跨越多个尺度的模拟
但在这些较大的尺度上，最重要的物理集合以及可以做出的近似与较小尺度上的物理集合不同。例如，在银河系尺度上，原子和分子行为的复杂细节极其重要，必须融入任何模拟中。然而，科学家们一致认为，当模拟集中在黑洞周围更直接的区域时，分子化学可以基本被忽略，因为那里的气体太热，原子和分子无法存在。相反，那里存在的是热电离等离子体。
创建一个可以覆盖所有相关尺度直至超大质量黑洞周围单个吸积盘水平的模拟是一个巨大的计算挑战——它还需要一个可以处理所有物理问题的代码。
霍普金斯说：“有些代码包含解决问题小规模部分所需的物理知识，有些代码包含解决问题更大规模、宇宙学部分所需的物理知识，但没有一种代码能同时包含这两种知识。”
模拟的早期静态图像显示了合并星系的纠缠。图片来源：加州理工学院/菲尔·霍普金斯小组
加州理工学院领导的团队使用了一种称为 GIZMO 的代码来执行大型和小型模拟项目。重要的是，他们构建了 FIRE 项目，以便他们添加到其中的所有物理原理都可以与 STARFORGE 项目兼容，反之亦然。
霍普金斯说：“我们以非常模块化的方式构建它，这样你就可以根据给定的问题打开或关闭任何你想要的物理部分，但它们都是相互兼容的。”
这使得科学家们在最新研究中模拟了一个质量约为太阳 1000 万倍的黑洞，从早期宇宙开始。然后，模拟放大了黑洞，当时一股巨大的物质流从恒星形成气体云中撕裂出来，开始围绕超大质量黑洞旋转。模拟可以继续放大，在跟随气体向黑洞移动的过程中，每一步都能解析出更精细的区域。
令人惊奇的蓬松磁盘
霍普金斯说：“在我们的模拟中，我们看到黑洞周围形成了吸积盘。如果我们看到了吸积盘，我们会非常兴奋，但令人非常惊讶的是，模拟的吸积盘看起来并不像我们几十年来所想象的那样。”
在 20 世纪 70 年代发表的两篇开创性论文中，科学家们描述了为超大质量黑洞提供能量的吸积盘，他们认为热压（由吸积盘中气体温度变化引起的压力变化）在防止此类吸积盘在靠近黑洞时受到巨大引力而坍缩方面发挥了主导作用。他们承认，磁场在帮助支撑吸积盘方面可能发挥了次要作用。
相比之下，新的模拟发现，这种圆盘的磁场压力实际上比气体热量的压力高 10,000 倍。
“因此，圆盘几乎完全由磁场控制，”霍普金斯说。“磁场有很多功能，其中之一就是支撑圆盘并使物质膨胀。”
这一认识改变了科学家对此类吸积盘做出的一系列预测，例如它们的质量、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（例如吸积盘是否会不平衡）。
展望未来，霍普金斯希望这种弥补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，具体会发生什么？在与太阳附近条件不同的星系密集区域中会形成什么类型的恒星？宇宙中第一代恒星可能是什么样子？
“要做的事情实在是太多了，”他说。
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