3D模拟表明超大质量黑洞吞噬速度比预期更快

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黑洞如何“进食”？

银河系中心的黑洞拥有出人意料的“送餐服务”，这令黑洞能够在数月内得到 “食物”无需等上数百年。

模拟器截图显示，超大质量黑洞尽情享用周围的气盘和尘埃盘。（图源：亚历山大·契科夫斯科伊（A。Tchekhovskoy）/尼克·卡兹（Nick Kaaz）/美国西北大学）

超大质量黑洞可能拥有完全出人意料的宇宙外卖服务，为它提供丰盛的气体和尘埃。这可能导致宇宙巨头黑洞的进食速度比科学家预期的要快得多，它们在数月里贪婪地进食，而不是数百年或是数千年里。

有人认为，超大质量黑洞位于大多数星系的中心，其质量是太阳的数百万甚至数十亿倍。当大片气体和尘埃，即吸积盘环绕时，黑洞会驱动类星体。类星体是活跃星系明亮的核心，亮度甚至能够超过整个星系中每颗星星的加起来的亮度。

关于黑洞进食速度的新发现，可能有助于揭示超大质量黑洞如何吞噬周围物质以及吞噬过程如何影响星系的演化。

这项研究是经高分辨率三维模拟得出的结果，研究由一支科学家团队推进，原先是研究黑洞的动力学，却意外地捕捉到了黑洞惊人的进食速度这一难以捕捉的现象。一些类星体的真实观测结果也可以佐证黑洞快速的进食速度，其中一些类星体在几个月内会从发光到暗淡。

科学家团队负责人、美国西北大学的天文学家尼克·卡兹（Nick Kaaz）在一份声明中表示，“黑洞如何蚕食气体是吸积盘物理学的核心问题。如果知道这是如何发生的，这将告诉我们吸积盘持续多久，有多亮，以及我们用望远镜观测时光谱是什么样的。”

超大质量黑洞在用餐时简直是个打捞器。

超大质量黑洞巨大无比，在旋转时，它们会拖拽时空的结构，这一现象被称为“空间拖曳”（frame dragging）或“伦塞-西凌”效应（Lense-Thirring effect）。奥克里奇国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）的超级计算机Summit的三维模拟显示，这种空间的扭曲会撕裂吸积盘，使其分裂成内部和外部的“子盘”。

超大质量黑洞先吞食内部盘中的气体和尘埃，将内部盘当作开胃菜。与此同时，外部盘中的物质进入，最终填补了黑洞吞食内部盘留下的空隙。而后，这个被填满的盘成为主菜，黑洞重新开始进食。

模拟器截图显示，超大质量黑洞尽情享用周围的气盘和尘埃盘的新方式。（图源：亚历山大·契科夫斯科伊（A。Tchekhovskoy）/尼克·卡兹（Nick Kaaz）/美国西北大学）

该研究团队的模拟计算表明，黑洞吞噬、补充食物、再次吞噬的整个过程在短短几个月内就能完成，比之前计算的时间尺度明显要快得多。这可能最终解释了为什么有些类星体会快速闪烁然后消失。

卡兹表示，“古典吸积盘理论预测吸积盘会缓慢演化，但有些类星体（由黑洞从吸积盘中吞噬气体形成）似乎会在短短几个月到几年的时间里发生巨变。这种变化非常剧烈。”

卡兹还是天体物理学跨学科探索与研究中心（CIERA）的成员。他指出，从模拟中可以看出，类星体发光的吸积盘内部（大多数光线由此发出）会被摧毁而后重新补充。

“传统吸积盘理论无法解释这种剧烈的变化，”卡兹说，“但我们在模拟中看到的现象可能可以解释。光线的快速变亮和变暗与被摧毁的内部区域盘是一致的。”

超大质量黑洞吃类似陀螺仪中的内盘而不是外盘

一些科学家提出，尽管环绕超大质量黑洞的吸积盘经历了猛烈的情况，但受坐落在中心处超大质量黑洞的引力影响，这些吸积盘秩序井然。受黑洞引力影响，吸积盘中的气体和尘埃绕着黑洞旋转，同时，停留在同一平面上，沿着与黑洞相同的旋转方向旋转，而气体逐渐落到黑洞的外边界。这一边界被称为“事件视界”（event horizon）。

卡兹说：“过去几十年来，天文学家曾做出了一个大胆的假设——吸积盘与黑洞的旋转方向一致。但是黑洞的“食物”气体不一定知道黑洞的旋转方向，那么气体为什么会自动跟随黑洞旋转呢？改变黑洞和气体之间的默契，整体情况会有所不同。”

这张新出炉的图片显示，正在进食的超大质量黑洞身处的环境更加混乱和动荡。

这一现象归结于伦塞-西凌效应（Lense-Thirring effect）。物体接近黑洞中央时，这种效应会变得愈发强烈，从而导致吸积盘摆动，最内部区域旋转速度更快。这类似于一个旋转的陀螺，速度减慢时开始摆动，但内盘的摆动比外盘更剧烈。

这使整个磁盘系统发生弯曲，并导致来自不同区域的气体相互碰撞，产生明亮的冲击波，促使物质越来越靠近超大质量黑洞本身。最终，摆动效应变得异常强烈，以至于吸积盘分裂。由此产生的内盘和外盘分别演化并产生不同的摆动。到这时，整个吸积盘更像是一个陀螺仪的环，而不是一个旋转的盘子。

卡兹说：“撕裂时，内盘会独立地向前推进。它旋转得更快，因为它离黑洞更近，而且它很小，所以更容易移动。”

该团队创建的模拟器表明，超大质量黑洞的疯狂进食始于内盘和外盘之间的分裂处，即“撕裂区”。此外，在摩擦力试图统一内外盘的同时，伦塞-西凌效应进一步将它们分开。

卡兹说：“黑洞的旋转与盘内的摩擦力和压力之间存在竞争。撕裂区是黑洞获胜的地方。内盘和外盘相互碰撞，外盘削去内盘的外层，将其向黑洞内推。”

因为内外盘的旋转方向各不相同，外盘物质流入内盘，推动内盘靠近黑洞，加快了内盘被黑洞吞噬的速度。与此同时，黑洞巨大的引力将外盘物质拉入内盘所在的位置。

“吸积盘内部区域是大部分亮度来源，但亮度可能会在数月内完全消失——消失得非常快，”卡兹说，“我们基本上能看到光亮完全消失。内外盘不再发光，而后再次发光，这一过程又重新开始。过往的理论一开始无法解释内外盘亮度为什么会消失，同时也没有解释它是如何快速地被重新充满的。”

BY:Robert Lea

FY:朱思颖Haily

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选文：天文志愿文章组-

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参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3.原文来自：Lense-Thirring effect | 天文学名词 | Astronomical Terms (china-vo.org)

天文学家弄清楚了黑洞是如何在光年外的空间中喷射出相对论性物质 - 太空航天 - 博科园 (bokeyuan.net)

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