模擬顯示磁場在超大質量黑洞周圍產生了蓬鬆的吸積盤
加州理工學院的一個天文物理學家小組模擬了原始氣體從早期宇宙到融入為超大質量黑洞提供能量的物質盤的過程，這是一個開創性的里程碑。 這項創新模擬挑戰了自20 世紀70 年代以來一直存在的這些圓盤的理論，並為理解黑洞和星系的生長和演化打開了新的大門。
這張模擬照片顯示的是一個超大質量黑洞（或類星體），周圍環繞著被稱為吸積盤的物質漩渦。 圖片來源：加州理工學院/菲爾-霍普金斯小組
理論天文物理學艾拉-S-鮑溫教授菲爾-霍普金斯（Phil Hopkins）說：”我們的新模擬標誌著在加州理工學院開始的兩個大型合作項目數年工作的頂點。”
第一個計畫名為FIRE（現實環境中的回饋），研究星系形成和碰撞等大尺度宇宙現象。 第二個項目被稱為STARFORGE，主要研究較小規模的過程，如單一氣體雲中恆星的形成。霍普金斯解釋說：”但兩者之間存在著巨大的差距。現在，我們首次彌補了這一差距。要實現這一目標，模擬的分辨率必須是以往該領域工作的1000倍以上。 “
《天文物理學開放雜誌》報導，令研究小組驚訝的是，模擬結果表明，在形成和塑造圍繞超大質量黑洞旋轉並為其提供養分的巨大物質盤時，磁場所起的作用比以前認為的要大得多。霍普金斯說：”我們的理論告訴我們，磁碟應該像薄餅一樣扁平。但我們知道這是不對的，因為天文觀測顯示，磁碟實際上是蓬鬆的，更像是天使蛋糕。我們的模擬幫助我們理解，磁場支撐著磁碟物質，使其更加蓬鬆。
在新的模擬中，研究人員對單一超大質量黑洞進行了所謂的”超級放大”，這種巨大的天體位於許多星系的中心，包括我們的銀河系。 這些貪婪而神秘的天體的質量是太陽質量的數千倍到數十億倍不等，因此會對任何靠近的物體產生巨大的影響。
天文學家幾十年前就知道，當氣體和塵埃被這些黑洞的巨大引力吸入時，它們並不會立即被吸進去。 相反，這些物質首先會形成一個快速旋轉的圓盤，稱為吸積盤。 當這些物質即將墜落時，會放射出巨大的能量，閃耀著宇宙中任何東西都無法比擬的光芒。 但是，人們對這些活躍的超大質量黑洞（稱為類星體），以及為它們提供能量的磁碟是如何形成和表現的，仍然知之甚少。
雖然之前已經對超大質量黑洞周圍的磁碟進行了成像-地平線事件望遠鏡在2022年對環繞銀河系中心黑洞的吸積盤進行了成像，在2019年對環繞梅西埃87黑洞的磁碟進行了成像- -但這些磁碟比環繞類星體的磁碟近得多，也溫順得多。 為了直觀地了解這些更活躍、更遙遠的黑洞周圍發生了什麼，天文物理學家們求助於超級電腦模擬。 他們將在這些星系環境中運行的物理學資訊–從控制引力的基本方程式到如何處理暗物質和恆星–輸入數千個並行工作的計算處理器。 這些輸入資訊包括許多演算法或一系列指令，供電腦依照這些演算法或指令再現複雜的現象。 例如，電腦知道，一旦氣體變得足夠稠密，恆星就會形成。 但這過程並非如此簡單。
霍普金斯解釋說：「如果你只是說引力把一切都往下拉，然後最終氣體形成恆星，恆星就這樣堆積起來，那麼你就會把一切都搞錯。 畢竟，恆星會做很多影響周圍環境的事情。 它們發出的輻射可以加熱或推動周圍的氣體。環境的化學成分。
模擬的早期劇照顯示了星系合併的糾結。 資料來源：加州理工學院/菲爾-霍普金斯小組
但是，在這些較大的尺度上，最需要包含的物理集合以及可以做出的近似值與較小尺度上的不同。 例如，在銀河尺度上，原子和分子行為的複雜細節極為重要，必須納入任何模擬中。 然而，科學家們一致認為，當模擬的重點放在黑洞周圍較近的區域時，分子化學在很大程度上可以被忽略，因為那裡的氣體太熱，原子和分子無法存在。 相反，那裡存在的是高溫電離等離子體。
創建一個能夠涵蓋所有相關尺度的模擬，小到超大質量黑洞周圍的單一吸積盤，是一個巨大的計算挑戰–這也需要一個能夠處理所有物理問題的程式碼。霍普金斯說：”有些程式碼具備處理小尺度問題所需的物理學知識，有些程式碼具備處理大尺度宇宙學問題所需的物理學知識，但沒有一種程式碼能同時具備這些知識。”
由加州理工學院領導的團隊在大尺度和小尺度模擬專案中都使用了他們稱為GIZMO 的程式碼。 重要的是，他們在建構FIRE 專案時，為其添加的所有物理特性都能在STARFORGE 專案中使用，反之亦然。霍普金斯說：”我們以非常模組化的方式構建了它，這樣你就可以為某個問題打開或關閉任何你想要的物理片段，但它們都是交叉兼容的。這使得科學家們能夠在最新的工作中模擬出一個質量約為太陽1000萬倍的黑洞，它始於宇宙早期。會放大黑洞。
新的模擬結果飛入了一個糾纏在一起的合併星系，最終放大到一個活躍的超大質量黑洞，或類星體，其周圍是一個被稱為吸積盤的物質漩渦盤。 氣體的絲狀流被捲入圓盤，以足夠的速度將氣體輸送進來，為宇宙中已知最亮的類星體提供燃料。 在模擬接近尾聲時，磁場帶走了旋轉盤的角動量，這使得物質越捲越深，直到到達黑洞的事件視界，無法逃脫。 在這模擬過程中，時間尺度放大了十億倍。 顏色顯示氣體的密度，顏色越亮代表密度越高。 資料來源：加州理工學院/菲爾-霍普金斯小組
霍普金斯說：”在我們的模擬中，我們看到黑洞周圍形成了這個吸積盤。如果我們只是看到了這個吸積盤，我們會非常興奮，但令人非常驚訝的是，模擬出來的吸積盤並不像我們幾十年來認為它應該是的樣子。 “
在1970 年代兩篇描述超大質量黑洞吸積盤的開創性論文中，科學家認為熱壓–即吸積盤中氣體溫度變化引起的壓力變化–在防止吸積盤在靠近黑洞的巨大引力作用下坍塌方面起著主導作用。 他們承認，磁場可能在幫助支撐磁碟方面發揮了次要作用。 相較之下，新的模擬發現，這種磁碟的磁場壓力實際上是氣體熱量壓力的一萬倍。
這個認知改變了科學家對這種吸積盤的一系列預測，例如它們的質量、密度和厚度、物質從吸積盤進入黑洞的速度，甚至它們的幾何形狀（例如吸積盤是否可能是一邊倒的）。
展望未來，霍普金斯希望這種彌合宇宙學模擬尺度差距的新能力將開闢許多新的研究途徑。 例如，當兩個星系合併時會發生什麼詳細情況？ 什麼類型的恆星會在星系的稠密區域形成，那裡的環境與太陽附近的環境不同？ 宇宙中第一代的恆星可能會是什麼樣子？
題為《FORGE’d in FIRE: Resolving the End of Star Formation and Structure of AGN Accretion Disks from Cosmological Initial Conditions》的論文詳細介紹了新的模擬結果，該論文發表在《天文物理學開放期刊》（The Open Journal of Astrophysics）上。
編譯自/ ScitechDaily