新的研究發現，超大質量黑洞吞噬周圍物質的速度比以前認為的要快。這項洞察力來自高解析度模擬，可以解釋為何類星體如此迅速地發生耀斑和消退。美國西北大學領導的一項新研究正在改變天文物理學家理解超大質量黑洞進食習慣的方式。先前的研究人員假設黑洞進食速度很慢，而新的模擬結果表明，黑洞吞噬食物的速度比傳統認識所認為的要快得多。

一項新的研究表明，透過拖曳時空，超大質量黑洞可以撕裂環繞它們的碎片（或吸積盤）的劇烈漩渦，從而形成內外兩個亞盤。資料來源：Nick Kaaz/美國西北大學

這項研究發表在9 月20 日的《天文物理學報》。

模擬洞察

根據新的高解析度三維模擬，旋轉的黑洞會扭曲周圍的時空，最終撕裂環繞黑洞並為其提供食物的劇烈氣體漩渦（或吸積盤）。這導致吸積盤撕裂成內外兩個子盤。黑洞首先吞噬內環。然後，外層子盤的碎片向內溢出，重新填滿被完全吞噬的內環留下的空隙，吞噬過程不斷重複。

無止盡地重複”吃”–“再吃”–“再吃”過程的一個循環只需要幾個月的時間–與研究人員之前提出的數百年時間相比，這個時間尺度快得令人震驚。

這項新發現有助於解釋夜空中一些最亮天體的戲劇性行為，包括類星體，它們會突然爆發，然後無緣無故地消失。

這張模擬照片顯示了一個超大質量黑洞的吸積盤是如何撕裂成兩個子盤的，在這張照片中，這兩個子盤是錯位的。圖片來源：Nick Kaaz/美國西北大學

西北大學的尼克-卡茲（Nick Kaaz）是這項研究的負責人，他說：”經典的吸積盤理論預測吸積盤會緩慢演變。但是一些類星體–黑洞吞噬吸積盤中的氣體–似乎在數月到數年的時間尺度內發生了劇烈變化。這種變化是如此劇烈。它看起來就像吸積盤的內部部分–大部分光線來自於此–被摧毀，然後又被補充。經典的吸積盤理論無法解釋這種劇烈的變化。但我們在模擬中看到的現像有可能可以解釋這一點。快速變亮和變暗的現象與圓盤內部區域被摧毀是一致的”。

Kaaz是西北大學溫伯格文理學院的天文學研究生，也是天文物理學跨學科探索與研究中心（CIERA）的成員。論文合著者亞歷山大-切霍夫斯科伊（Alexander Tchekhovskoy）為Kaaz提供了指導，他是溫伯格學院物理學和天文學副教授，也是CIERA成員。

錯誤的假設

黑洞周圍的吸積盤是物理上非常複雜的天體，因此難以建模。傳統理論一直難以解釋為什麼這些磁碟會如此閃亮，然後又突然變暗–有時甚至完全消失。

先前的研究人員錯誤地認為吸積盤是相對有序的。在這些模型中，氣體和粒子圍繞著黑洞旋轉–與黑洞在同一平面，與黑洞的自旋方向一致。然後，在幾百到幾十萬年的時間尺度內，氣體粒子逐漸旋入黑洞，為黑洞提供養分。

「幾十年來，人們做了一個很大的假設，即吸積盤與黑洞的自轉保持一致，」Kaaz說。”但為這些黑洞提供養分的氣體並不一定知道黑洞在朝哪個方向旋轉，那麼為什麼它們會自動對齊呢？改變排列方式會極大地改變畫面”。

研究人員的模擬是迄今為止分辨率最高的吸積盤模擬之一，它表明黑洞周圍的區域比以前想像的要混亂得多，湍流也更大。

更像陀螺儀，不像盤子

研究人員利用位於橡樹嶺國家實驗室的世界上最大的超級電腦之一–“高峰”（Summit），對一個傾斜的薄吸積盤進行了三維廣義相對論磁流體力學（GRMHD）模擬。先前的模擬功能不夠強大，無法包含建構真實黑洞所需的所有必要物理知識，而西北大學主導的模型則包含了氣體動力學、磁場和廣義相對論，從而建構了一幅更完整的圖景。

“黑洞是極端的廣義相對論天體，會影響周圍的時空，”Kaaz說。”因此，當黑洞旋轉時，它們會像一個巨大的旋轉木馬一樣拖動周圍的空間，迫使空間也跟著旋轉–這種現像被稱為’框架拖曳’。這在靠近黑洞的地方會產生一種非常強烈的效應，而在離黑洞較遠的地方，這種效應會變得越來越弱”。

框架拖曳使整個圓盤在圓週上搖擺，類似於陀螺儀的預處理。但圓盤內部的擺動速度比外部快得多。這種力的不匹配導致整個圓盤翹曲，使來自圓盤不同部分的氣體發生碰撞。碰撞產生的強烈衝擊波猛烈地推動物質越來越靠近黑洞。

隨著翹曲變得越來越嚴重，吸積盤的最內層區域繼續以越來越快的速度擺動，直到與吸積盤的其他部分斷裂。然後，根據新的模擬結果，子盤開始彼此獨立演化。子盤不再像黑洞周圍的平板那樣平滑地移動在一起，而是像陀螺儀中的輪子那樣以不同的速度和角度獨立擺動。

Kaaz說：”當內盤撕裂時，它會獨立地進行預處理。它的前衝速度更快，因為它離黑洞更近，而且因為它很小，所以更容易移動。”

黑洞獲勝的地方

根據新的模擬，撕裂區域–內部和外部子盤斷開的地方是哺育狂潮真正開始的地方。當摩擦力試圖將磁碟保持在一起時，旋轉的黑洞對時空的扭曲卻想將其撕裂。

“黑洞的旋轉與圓盤內部的摩擦力和壓力之間存在競爭，”卡茲說。”撕裂區域是黑洞獲勝的地方。內盤和外盤相互碰撞。外盤削去內盤的層，將其向內推。”

現在，子圓盤以不同角度相交。外盤將物質傾倒在內盤之上。這些額外的質量也將內盤推向黑洞，並將其吞噬。然後，黑洞自身的引力將外層區域的氣體拉向現在空空如也的內層區域，重新填滿它。

類星體之間的聯繫

卡茲說，這種”吃-再吃-再吃”的快速循環可以解釋所謂的”不斷變化的外觀”類星體。類星體是一種極其明亮的天體，其發出的能量是整個銀河系2000 億到4000 億顆恆星能量的1000 倍。不斷變化的類星體更加極端。它們似乎在幾個月的時間裡時亮時滅–這對一個典型的類星體來說只是極短的時間。

儘管經典理論對吸積盤演化和亮度變化的速度提出了假設，但對變貌類星體的觀測表明，它們的演化速度實際上要快得多。

“吸積盤的內部區域是大部分亮度的來源，它可以完全消失–在幾個月內迅速消失。我們基本上可以看到它完全消失。系統不再明亮。然後，它又變亮了，這個過程不斷重複。傳統理論無法解釋為什麼它一開始就消失了，也無法解釋它是如何如此迅速地重新充滿的。”

新的模擬不僅有可能解釋類星體，還能回答一直以來關於黑洞神秘本質的問題。

「氣體如何進入黑洞為其提供能量是吸積盤物理學的核心問題，」卡茲說。”如果你知道這是如何發生的，就能知道圓盤會持續多久，而且有多亮，以及我們用望遠鏡觀測時光線應該是什麼樣子。”