宇宙模拟揭示了黑洞的成长与演变过程

加州理工学院领导的一支天体物理学家团队首次成功模拟了早期宇宙中原始气体旅程的演化过程，直至这些气体被卷入一个单一超大质量黑洞周围的物质盘中。这项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些物质盘的传统认知，并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两个大型合作项目在加州理工学院开始的多年工作的圆满结束，”加州理工学院伊拉·S·鲍恩理论天体物理学教授菲尔·霍普金斯说道。

第一个合作项目被称为FIRE（现实环境中的反馈），它关注宇宙中更大的尺度，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。另一个合作项目名为STARFORGE，旨在研究更小的尺度，包括恒星如何在单独的气云中形成。“但两者之间存在很大的空白，”霍普金斯解释道。“现在，我们首次填补了这个空白。”为了做到这一点，研究人员必须构建一个分辨率比以往该领域最佳水平高出1000多倍的模拟。

令团队惊讶的是，正如《开放天体物理学杂志》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养分的巨大物质盘中扮演了比先前认为的更大的角色。“我们的理论告诉我们，这些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，因为天文观测揭示出这些盘实际上是蓬松的——更像天使蛋糕。我们的模拟帮助我们理解到，磁场在支撑盘状物质，使其更加蓬松。”

使用“超级缩放”可视化超大质量黑洞周围的活动

在新的模拟中，研究人员对位于许多星系（包括我们自己的银河系）中心的单个超大质量黑洞进行了所谓的“超级缩放”。这些贪婪而神秘的天体所含质量从数千倍到数十亿倍太阳质量不等，因此对任何接近它们的物体都产生巨大影响。

天文学家们几十年来一直知道，当气体和尘埃被这些黑洞的巨大引力吸引时，它们并不会立即被吸入。相反，这些物质首先会形成一个快速旋转的盘状结构，称为吸积盘。就在物质即将落入黑洞之际，它会释放出巨大的能量，发出宇宙中几乎无与伦比的耀眼光芒。但人们对这些被称为类星体的活跃超大质量黑洞，以及滋养它们的吸积盘是如何形成和表现的，仍然知之甚少。

虽然以前已经对超大质量黑洞周围的吸积盘进行了成像——事件视界望远镜在2022年对我们的银河系中心，以及在2019年对梅西耶87中心的黑洞周围的吸积盘进行了成像——但这些吸积盘比类星体周围的那些要近得多且温顺得多。为了可视化这些更活跃且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。他们将在这些星系环境中起作用的物理学信息——从控制引力的基本方程到如何处理暗物质和恒星——输入到数千个并行工作的计算处理器中。这种输入包括许多算法或指令序列，供计算机遵循以重现复杂现象。因此，例如，计算机知道一旦气体变得足够密集，就会形成恒星。但这个过程并不简单。

“如果你只是说重力把所有东西都拉下来，然后气体最终会形成恒星，恒星就会不断累积，那么你会把一切都弄错，”霍普金斯解释道。毕竟，恒星做了许多影响其周围环境的事情。它们发出的辐射可以加热或推动周围的气体。它们吹出像由我们自己的太阳产生的太阳风这样的风，可以席卷物质。它们以超新星的形式爆炸，有时会将物质喷射出星系之外，或改变其周围环境的化学成分。因此，计算机还必须了解这种“恒星反馈”的所有细节，因为它控制着星系中可以实际形成多少恒星。

构建跨越多个尺度的模拟

但在这些更大的尺度上，需要纳入的最重要的物理集合以及可以采用的近似方法与较小尺度上的不同。例如，在银河系尺度上，原子和分子的复杂行为细节极为重要，并且必须构建到任何模拟中。然而，科学家们认为，当模拟聚焦于黑洞周围的更直接区域时，可以忽略分子化学，因为那里的气体太热，以至于原子和分子无法存在。相反，那里存在的是热电离等离子体。

创建一个能够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项巨大的计算挑战——同时还需要一个能够处理所有物理学的代码。“有些代码具备你解决小规模问题所需的物理学，有些代码则具备你解决更大规模、宇宙学问题所需的物理学，但没有两者兼备的代码，”霍普金斯说。

加州理工学院领导的团队在他们的大型和小型模拟项目中都使用了一种名为GIZMO的代码。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学都可以与STARFORGE项目一起工作，反之亦然。“我们采用非常模块化的方式构建它，以便您可以针对给定问题打开或关闭所需的任何物理学部分，但它们都是相互兼容的，”霍普金斯说。

这使得最新工作中的科学家能够模拟一个质量约为太阳1000万倍的黑洞，始于早期宇宙。然后，模拟将镜头聚焦在该黑洞上，此时一股巨大的物质流从一团恒星形成气体云中撕裂开来，并开始围绕超大质量黑洞旋转。模拟可以继续放大，在气体向黑洞移动的过程中，每一步都解析出更精细的区域。

令人惊讶的蓬松、磁性磁盘

“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。“如果我们只看到这个吸积盘，我们就会非常兴奋，但令人惊讶的是，模拟出的磁盘看起来并不像我们几十年来所认为的那样。”

在20世纪70年代描述为超大质量黑洞提供燃料的吸积盘的两篇开创性论文中，科学家们认为热压力（即磁盘中气体温度变化引起的压力变化）在防止这些磁盘在接近黑洞时承受的巨大引力下坍塌方面起着主导作用。他们承认磁场可能在帮助稳固磁盘方面发挥次要作用。相比之下，新的模拟发现，这种磁盘的磁场压力实际上比气体热压力高出1万倍。

“因此，磁盘几乎完全由磁场控制，”霍普金斯说。“磁场有多种功能，其中之一就是支撑磁盘并使材料蓬松。”

这一认识改变了科学家们可以对这类吸积盘做出的众多预测，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（如磁盘是否可能不平衡）。