新的模拟揭示了星系如何喂养它们的超大质量黑洞

来自模拟的静态图像显示了一个包含数十个星系的大区域(横跨600万光年)。来源:Anglés-Alcázar等人，2021年，ApJ, 917,53

第一个模型展示了气体如何穿过宇宙进入超大质量物体黑洞的中心。

根据一项新的高性能模拟，星系的旋臂负责吸收气体，以供给其中央超大质量黑洞。

该模拟始于西北大学，是第一个详细展示气体如何穿过宇宙一直到超大质量黑洞中心的模拟。虽然其他模拟模拟了黑洞的增长，但这是第一个强大到足以全面解释特大质量黑洞演化过程中的众多力量和因素的单一计算机模拟。

这种模拟也让我们对类星体的神秘本质有了罕见的了解，类星体是一种极其明亮、快速增长的黑洞。类星体是宇宙中最亮的天体之一，其亮度甚至超过整个星系。

西北大学的Claude-André Faucher-Giguère是该研究的资深作者之一，他说:“我们从遥远的类星体观察到的光是在气体落入超大质量黑洞并在此过程中被加热时产生的。”“我们的模拟显示，星系结构，如旋臂，利用引力'踩刹车’气体，否则将永远围绕星系中心运行。这种断裂机制使气体转而落入黑洞，引力刹车或扭矩足够强大，可以解释我们观察到的类星体。”

这项研究于2021年8月17日发表在《天体物理学杂志》上。

Faucher-Giguère是西北大学温伯格艺术与科学学院的物理学和天文学副教授，也是天体物理学跨学科探索与研究中心(CIERA)的成员。康涅狄格大学助理教授、Faucher-Giguère小组的前CIERA研究员丹尼尔·Anglés-Alcázar是这篇论文的第一作者。

相当于数百万甚至数十亿个太阳的质量，超大质量黑洞可以在一年之内吞噬10倍太阳质量的黑洞。但是，当一些超大质量黑洞享受着持续不断的食物供应时，另一些则休眠了数百万年，只是在意外的气体涌入后突然醒来。气体如何穿越宇宙以供养超大质量黑洞的细节一直是一个长期存在的问题。

到目前为止，理论学家发展的解释依赖于拼凑不同的观点，即星系中的物质是如何挤进星系最内层的百万分之一大小的。”

- Claude-André Faucher-Giguère，天体物理学家

为了解决这个谜题，研究小组开发了新的模拟，将许多关键的物理过程——包括宇宙的膨胀和大尺度的银河系环境，重力气体流体动力学和来自大质量恒星的反馈——整合到一个模型中。

Anglés-Alcázar说:“像超新星这样的强大事件向周围的介质注入了大量的能量，这影响了星系的演化。”“所以我们需要整合所有这些细节和物理过程，以捕捉到准确的画面。”

以FIRE(“现实环境中的反馈”)项目之前的工作为基础，这项新技术大大提高了模型的分辨率，并允许在气体穿越星系时跟踪它，分辨率比以前提高了1000倍以上。

1,000x

新的模拟具有1000倍以上的分辨率比以前的模拟。

Anglés-Alcázar说:“其他模型可以告诉你很多关于在黑洞附近发生的事情的细节，但它们不包含关于星系其他部分正在做什么的信息，甚至不包含关于星系周围环境正在做什么的信息。”“事实证明，将所有这些过程同时连接起来是非常重要的。”

Faucher-Giguère说:“超大质量黑洞的存在是相当惊人的，但对于它们是如何形成的还没有共识。”“特大质量黑洞之所以如此难以解释，是因为它们的形成需要将大量物质塞进一个微小的空间。宇宙是如何做到的呢?到目前为止，理论学家发展的解释依赖于拼凑不同的观点，即星系中的物质是如何挤进星系最内层的百万分之一大小的。”

通过新的模拟，研究人员终于可以模拟这是如何发生的。例如,新的仿真将帮助研究人员了解超大质量黑洞的起源在我们的银河系的中心的超大质量黑洞在梅西耶87星系的中心,是著名的2019年视界望远镜捕捉到的。接下来，研究人员的目标是研究星系及其中心黑洞的大量统计种群，以更好地了解黑洞是如何在各种条件下形成和增长的。

参考文献:“利用拉格朗日超细化的亚秒差距尺度的类星体的宇宙学模拟”，作者:Daniel Anglés-Alcázar, Eliot Quataert, Philip F. Hopkins, Rachel S. Somerville, Christopher C. Hayward, Claude-André Faucher-Giguère, Greg L. Bryan, Dušan Kereš， Lars Hernquist和James M. Stone, 2021年8月17日，《天体物理学杂志》。1538 - 4357 . DOI: 10.3847 / / ac09e8

这项研究得到了西蒙斯基金会、国家科学基金会和美国宇航局的支持。