这张来自模拟的图片显示了一个超大质量黑洞或类星体，被一个被称为吸积盘的旋转物质盘所包围
由加州理工学院领导的一个天体物理学家团队首次成功地模拟了原始气体从早期宇宙到被一个为单个超大质量黑洞提供燃料的物质盘吞没的过程。新的计算机模拟颠覆了自20世纪70年代以来天文学家对这种圆盘的看法，并为黑洞和星系如何生长和演化的新发现铺平了道路。
Ira S. Bowen理论天体物理学教授Phil Hopkins说:“我们的新模拟标志着加州理工学院开始的两项大型合作的几年工作的高潮。”
第一次合作，绰号为FIRE(现实环境中的反馈)，专注于宇宙中更大的尺度，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。另一个被称为STARFORGE，旨在研究更小的尺度，包括恒星是如何在单个气体云中形成的。
“但两者之间有很大的差距，”霍普金斯解释说。“现在，我们第一次弥合了这一差距。”
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最好的模拟高1000倍以上的模拟。
令研究小组惊讶的是，正如《开放天体物理学杂志》所报道的那样，模拟显示磁场在形成和塑造巨大的物质盘方面发挥的作用比之前认为的要大得多，这些物质盘在超大质量黑洞周围旋转并为其提供食物。
“我们的理论告诉我们，这些圆盘应该像薄饼一样平坦，”霍普金斯说。“但我们知道这是不对的，因为天文观测显示，这些圆盘实际上是蓬松的——更像一个天使蛋糕。我们的模拟帮助我们理解了磁场支撑着圆盘材料，使其变得更蓬松。”
使用“超级放大”来可视化超大质量黑洞周围的活动
在新的模拟中，研究人员对一个超大质量黑洞进行了他们所谓的“超级放大”，这是一个巨大的物体，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的数千到数十亿倍，因此对任何靠近的物体都有巨大的影响。
几十年前，天文学家就已经知道，当气体和尘埃被黑洞的巨大引力拉进来时，它们不会立即被吸进去。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。当物质即将落入黑洞时，它会释放出巨大的能量，发出宇宙中任何物质都无法比拟的光芒。但是对于这些活跃的超大质量黑洞(称为类星体)，以及为它们提供食物的圆盘是如何形成和行为的，我们仍然知之甚少。
虽然之前已经拍摄过超大质量黑洞周围的圆盘——事件视界望远镜拍摄了2022年和2019年在我们银河系中心围绕黑洞旋转的圆盘——但这些圆盘比在类星体周围旋转的圆盘更近、更温和。
为了可视化这些更活跃、更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。它们将在这些星系环境中工作的物理信息——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，供计算机按照这些指令重现复杂的现象。例如，计算机知道一旦气体变得足够稠密，恒星就会形成。但这个过程并没有那么简单。
霍普金斯解释说:“如果你只是说重力把所有东西都拉下来，然后最终气体形成一颗恒星，恒星就会逐渐形成，那么你就大错特错了。”
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。它们吹的风就像太阳产生的太阳风一样，可以卷起物质。它们以超新星的形式爆炸，有时会将物质从星系中释放出来，或者改变周围环境的化学成分。因此，计算机也必须知道这种“恒星反馈”的所有来龙去脉，因为它调节着一个星系实际可以形成多少颗恒星
构建一个跨越多个尺度的模拟
但在这些更大的尺度上，最重要的是要包括的一系列物理以及可以做出的近似与小尺度下的不同。例如，在银河系尺度上，原子和分子如何行为的复杂细节是极其重要的，必须被构建到任何模拟中。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，分子化学基本上可以忽略不计，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的模拟，小到一个超大质量黑洞周围的单个吸积盘的水平，这是一个巨大的计算挑战——它还需要一个可以处理所有物理现象的代码。
霍普金斯说:“有些代码具有解决问题的小范围部分所需的物理特性，有些代码具有解决问题的大范围、宇宙学部分所需的物理特性，但没有两者兼而有之。”
早些时候的一张模拟照片显示了合并星系的纠缠
加州理工学院领导的团队在大型和小型模拟项目中都使用了他们称之为GIZMO的代码。重要的是，他们创建了FIRE项目，这样他们添加到其中的所有物理都可以与STARFORGE项目一起工作，反之亦然。
霍普金斯说:“我们以一种非常模块化的方式构建它，这样你就可以打开或关闭任何你想要解决给定问题的物理部分，但它们都是交叉兼容的。”
这使得科学家们在最新的工作中模拟了一个大约是太阳质量1000万倍的黑洞，从早期的宇宙开始。当一股巨大的物质流从形成恒星的气体云中被撕裂，并开始围绕超大质量黑洞旋转时，模拟将该黑洞放大。模拟可以继续放大，在跟踪气体流向井眼的过程中，每一步都能分辨出更精细的区域。
令人惊讶的是，松软的磁盘
“在我们的模拟中，我们看到这个吸积盘在黑洞周围形成，”霍普金斯说。“如果我们刚刚看到了吸积盘，我们会非常兴奋，但非常令人惊讶的是，模拟盘看起来并不像我们几十年来所认为的那样。”
在20世纪70年代两篇描述超大质量黑洞的吸积盘的重要论文中，科学家们假设热压力——由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下坍缩方面发挥了主导作用。他们承认，磁场在帮助支撑磁碟方面可能起着次要作用。
相比之下，新的模拟发现，这些圆盘磁场的压力实际上比气体热量的压力大1万倍。
“所以，磁盘几乎完全由磁场控制，”霍普金斯说。“磁场有许多功能，其中之一是支撑磁盘，使材料膨胀。”
这一认识改变了科学家们对吸积盘的许多预测，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(比如吸积盘是否会不平衡)。
展望未来，霍普金斯希望这种弥合宇宙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?在条件与太阳附近不同的稠密星系中，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的?
“要做的事情太多了，”他说。
