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翻译：姜力萌
校译：吟
编排：葫芦
后台：朱宸宇
这张模拟照片显示的是一个超大质量黑洞（具体些说，是一个明亮的类星体，类星体特指非常明亮且非常活跃的超大质量黑洞），周围环绕着被称为“吸积盘”的物质旋涡。
由加州理工学院领导的一个天体物理学家小组首次成功地模拟了原始气体从宇宙早期到被卷到一个超大质量黑洞周围、成为为其提供燃料的吸积盘的过程。新的计算机模拟颠覆了天文学家自20世纪70年代以来对这种吸积盘的看法，并为继续探索黑洞和星系是如何生长和演化的铺平了新的道路。
理论天体物理学家菲尔·霍普金斯教授（Phil Hopkins）说：“我们的新模拟标志着在加州理工学院开展的两个大型合作项目数年工作的顶点。”
第一个合作项目被昵称为FIRE，主要研究宇宙中的大尺度结构相关的问题，比如星系是如何形成的以及它们之间碰撞时会发生什么。FIRE 模拟旨在直接解析星际介质中的主要结构，从而将星系形成的宇宙学研究与星系尺度上恒星形成的研究联系起来。另一项合作被称为 STARFORGE，旨在研究更小尺度上的结构，包括恒星如何在单个气体云中形成。
霍普金斯教授也解释说："但这两个项目之间存在着巨大的差别。现在，我们第一次弥合了这一差别。”
为了弥补上这一差别，研究人员必须建立一个分辨率比该领域以往最佳的高出 1000 多倍的模拟系统。
诚如《天体物理学公开期刊》所报道，令研究小组惊讶的是，这个新的模拟系统的模拟结果显示，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吸积盘方面所起的作用比人们之前认为的要大得多。
霍普金斯教授提到："我们的理论告诉我们，吸积盘应该是扁平的，就像盘子一样。但我们知道这其实是不对的，因为天文观测显示，这些吸积盘实际上是巨大的、蓬松的，更像是甜甜圈。我们的模拟帮助我们理解到，是磁场支撑着这些物质，使其能够呈现这样一个蓬松的结构。”
“超级放大”助力超大质量黑洞周围的活动可视化
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"。这种巨大的天体存在于包括我们银河系在内的许多星系的中心。这些贪婪而又神秘的天体的质量是太阳质量的上千至数十亿倍，因此会对任何靠近的物体产生巨大的影响。
天文学家几十年前就知道，当气体和尘埃被这些黑洞的巨大引力吸入时，它们并不会立即被吸进去。相反，这些物质首先会形成一个快速旋转的圆盘（即前文所说的“吸积盘”）。当这些物质即将落入黑洞时，它们会辐射出巨大的能量，闪耀着宇宙中任何东西都无可比拟的光芒。但是，人们对这些被称为类星体的活跃的超大质量黑洞、以及为它们提供能量的吸积盘是如何形成和表现的，仍有许多不了解之处。
虽然之前已经拍摄到了围绕超大质量黑洞的吸积盘图像——视界望远镜(EHT)于2019年和2022年分别公布了M87的和环绕银河系中心黑洞的吸积盘图像——但与围绕类星体旋转的吸积盘相比，这些吸积盘要近得多、也乖巧得多。
为了直观地了解这些更活跃、更遥远的黑洞周围到底发生了什么，天体物理学家求助于超级计算机模拟。他们将那些在星系环境中起作用的物理信息，从基本的引力方程到如何处理暗物质和恒星，都输入到成千上万个并行工作的计算处理器中。
这些输入的信息包括许多算法或一系列指令，供计算机按照这些算法或指令再现复杂的现象。比如说，计算机知道，一旦气体变得足够稠密，就会形成恒星。但这一过程并非如此简单。霍普金斯教授也解释说："如果你只认为引力把一切都往下拉，然后恒星就只是由这些被拽下去的气体堆积起来形成的，那就大错特错了。”
毕竟，恒星的一举一动其实也会对周围的环境有影响：它们发出的辐射可以加热或推动周围的气体；它们吹出来的风就像我们的太阳产生的太阳风、可以清扫物质；它们还有可能以超新星的形式爆炸，有时甚至能把物质发射出自己所在的星系，或者改变周围环境的化学成分。因此，计算机必须对这种 "恒星反馈 "的来龙去脉了如指掌，因为它决定着一个星系究竟能形成多少恒星。
搭建多跨度的模拟
但是，在这些较大的尺度上，需要包含的最重要的物理定律以及可以做出的近似值与在小尺度上的有所不同。例如，在银河系尺度上，原子和分子行为的复杂细节极为重要，必须纳入任何模拟中。不过科学家们一致认为，当模拟的重点放在黑洞周围较近的极端区域时，分子与化学在很大程度上可以被忽略，因为那里的气体太热了，原子和分子根本无法存在。相反，应该考虑的是高温电离的等离子体。
创建一个能够涵盖所有相关尺度的模拟，小到能够处理一个超大质量黑洞周围的单个吸积盘，是一个巨大的计算挑战，这同时也需要一个能够处理所有相关物理学问题的代码。
霍普金斯教授说到："有一些代码具备解决小尺度问题所需的物理学知识，而另一些则具备解决大尺度、宇宙学问题所需的物理学知识，但还没有一种代码同时具备这两种能力。”
模拟的早期图像显示了星系合并时相互纠缠的景象。资料来源：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，他们在构建 FIRE 项目时，为其添加的所有物理特性都能在 STARFORGE 项目中使用，反之亦然。
霍普金斯教授是这样解释GIZMO的："我们以非常模块化的方式构建了它，这样就可以针对特定问题打开或关闭任何你想要的物理知识，但它们都是交叉兼容的。”
这使得科学家们在最新研究中能够模拟出一个质量约为太阳1000万倍的黑洞，它始于宇宙早期。当巨大的物质流从孕育恒星的气体云中撕裂出来并开始围绕超大质量黑洞旋转时，这个模拟就会放大黑洞。模拟可以继续沿着气体向黑洞落去的路径放大，从而使得每一步都能分辨出更精细的区域。
出乎意料的蓬松磁控吸积盘
霍普金斯教授说："在我们的模拟过程中，我们看着黑洞周围形成了这个吸积盘。如果我们只是看到了这个吸积盘，我们会非常兴奋。但更令我们惊讶的是，模拟出来的吸积盘看起来并不像我们预设了几十年的样子。”
在 20 世纪 70 年代两篇描述超大质量黑洞吸积盘的开创性论文中，科学家们假定热压(吸积盘中气体温度变化引起的压力变化)在防止吸积盘因黑洞的巨大引力坍塌方面发挥着主导作用。同时,他们也提到了磁场可能在帮助支撑吸积盘方面发挥了次要作用。
与两篇论文所设想的不同，新的模拟发现，磁场产生的压强实际上比气体热压大 近1 万倍。也就是说，吸积盘几乎完全是由磁场控制的。并且磁场在那拥有着很多功能，其中之一就是维持吸积盘，让这些物质可以形成一个蓬松的、甜甜圈一样的“盘”。
这一发现改变了科学家们对这种吸积盘的一系列预测，比如它们的质量、密度和厚度、物质从吸积盘落入黑洞的速度，甚至它们的几何形状(比如吸积盘是否会是倾斜的)。
展望未来，霍普金斯教授希望这种弥合宇宙学模拟尺度差距的新能力可以开辟许多新的研究方法。比如，能不能展开描述两个星系合并时会发生的情况？什么类型的恒星会在与太阳附近的条件不同的星系稠密区域形成？宇宙中第一代恒星又可能是什么样子的？
“有了这种新的研究方法，还有很多很多的问题值得继续思考、探索下去呀!”
感兴趣的可以看一下研究小组做的视频，会更加直观：
https://www.youtube.com/watch?v=WHS9yxgCHEw&t=3s
More information: Philip F. Hopkins et al, FORGE'd in FIRE: Resolving the End of Star Formation and Structure of AGN Accretion Disks from Cosmological Initial Conditions, The Open Journal of Astrophysics (2024). DOI: 10.21105/astro.2309.13115
责任编辑：DAIKIN
牧夫新媒体编辑部
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