新的研究发现，超大质量黑洞吞噬周围物质的速度比以前认为的要快。这一洞察力来自高分辨率模拟，可以解释类星体为何如此迅速地发生耀斑和消退。美国西北大学领导的一项新研究正在改变天体物理学家理解超大质量黑洞进食习惯的方式。以前的研究人员假设黑洞进食速度很慢，而新的模拟结果表明，黑洞吞噬食物的速度比传统认识所认为的要快得多。

一项新的研究表明，通过拖拽时空，超大质量黑洞可以撕裂环绕它们的碎片（或吸积盘）的剧烈漩涡，从而形成内外两个亚盘。资料来源：Nick Kaaz/美国西北大学

这项研究发表在 9 月 20 日的《天体物理学报》上。

模拟洞察

根据新的高分辨率三维模拟，旋转的黑洞会扭曲周围的时空，最终撕裂环绕黑洞并为其提供食物的剧烈气体漩涡（或吸积盘）。这导致吸积盘撕裂成内外两个子盘。黑洞首先吞噬内环。然后，外层子盘的碎片向内溢出，重新填满被完全吞噬的内环留下的空隙，吞噬过程不断重复。

无休止地重复"吃"--"再吃"--"再吃"过程的一个循环只需要几个月的时间--与研究人员之前提出的数百年时间相比，这个时间尺度快得令人震惊。

这一新发现有助于解释夜空中一些最亮天体的戏剧性行为，包括类星体，它们会突然爆发，然后无缘无故地消失。

这张模拟照片展示了一个超大质量黑洞的吸积盘是如何撕裂成两个子盘的，在这张照片中，这两个子盘是错位的。图片来源：Nick Kaaz/美国西北大学

西北大学的尼克-卡兹（Nick Kaaz）是这项研究的负责人，他说："经典的吸积盘理论预测吸积盘会缓慢演变。但是一些类星体--黑洞吞噬吸积盘中的气体--似乎在数月到数年的时间尺度内发生了剧烈变化。这种变化是如此剧烈。它看起来就像吸积盘的内部部分--大部分光线来自于此--被摧毁，然后又被补充。经典的吸积盘理论无法解释这种剧烈的变化。但我们在模拟中看到的现象有可能可以解释这一点。快速变亮和变暗的现象与圆盘内部区域被摧毁是一致的"。

Kaaz是西北大学温伯格文理学院的天文学研究生，也是天体物理学跨学科探索与研究中心（CIERA）的成员。论文合著者亚历山大-切霍夫斯科伊（Alexander Tchekhovskoy）为Kaaz提供了指导，他是温伯格学院物理学和天文学副教授，也是CIERA成员。

错误的假设

黑洞周围的吸积盘是物理上非常复杂的天体，因此难以建模。传统理论一直难以解释为什么这些磁盘会如此闪亮，然后又突然变暗--有时甚至完全消失。

以前的研究人员错误地认为吸积盘是相对有序的。在这些模型中，气体和粒子围绕着黑洞旋转--与黑洞在同一平面，与黑洞的自旋方向一致。然后，在几百到几十万年的时间尺度内，气体粒子逐渐旋入黑洞，为黑洞提供养料。

"几十年来，人们做了一个很大的假设，即吸积盘与黑洞的自转保持一致，"Kaaz说。"但为这些黑洞提供养分的气体并不一定知道黑洞在朝哪个方向旋转，那么它们为什么会自动对齐呢？改变排列方式会极大地改变画面"。

研究人员的模拟是迄今为止分辨率最高的吸积盘模拟之一，它表明黑洞周围的区域比以前想象的要混乱得多，湍流也更大。

更像陀螺仪，不像盘子

研究人员利用位于橡树岭国家实验室的世界上最大的超级计算机之一--"高峰"（Summit），对一个倾斜的薄吸积盘进行了三维广义相对论磁流体力学（GRMHD）模拟。以前的模拟功能不够强大，无法包含构建真实黑洞所需的所有必要物理知识，而西北大学主导的模型则包含了气体动力学、磁场和广义相对论，从而构建了一幅更加完整的图景。

"黑洞是极端的广义相对论天体，会影响周围的时空，"Kaaz说。"因此，当黑洞旋转时，它们会像一个巨大的旋转木马一样拖动周围的空间，迫使空间也跟着旋转--这种现象被称为'框架拖曳'。这在靠近黑洞的地方会产生一种非常强烈的效应，而在离黑洞较远的地方，这种效应会变得越来越弱"。

框架拖曳使整个圆盘在圆周上摇摆，类似于陀螺仪的预处理。但圆盘内部的摆动速度要比外部快得多。这种力的不匹配导致整个圆盘翘曲，使来自圆盘不同部分的气体发生碰撞。碰撞产生的强冲击波猛烈地推动物质越来越靠近黑洞。

随着翘曲变得越来越严重，吸积盘的最内层区域继续以越来越快的速度摆动，直到与吸积盘的其他部分断裂。然后，根据新的模拟结果，子盘开始彼此独立地演化。子盘不再像黑洞周围的平板那样平滑地移动在一起，而是像陀螺仪中的轮子那样以不同的速度和角度独立摆动。

Kaaz说："当内盘撕裂时，它会独立地进行预处理。它的前冲速度更快，因为它离黑洞更近，而且因为它很小，所以更容易移动。"

黑洞获胜的地方

根据新的模拟，撕裂区域--内部和外部子盘断开的地方是哺育狂潮真正开始的地方。当摩擦力试图将磁盘保持在一起时，旋转的黑洞对时空的扭曲却想将其撕裂。

"黑洞的旋转与圆盘内部的摩擦力和压力之间存在竞争，"卡兹说。"撕裂区域是黑洞获胜的地方。内盘和外盘相互碰撞。外盘削去内盘的层，将其向内推。"

现在，子圆盘以不同角度相交。外盘将物质倾倒在内盘之上。这些额外的质量也将内盘推向黑洞，并将其吞噬。然后，黑洞自身的引力将外层区域的气体拉向现在空空如也的内层区域，重新填满它。

类星体之间的联系

卡兹说，这种"吃-再吃-再吃"的快速循环可以解释所谓的"不断变化的外观"类星体。类星体是一种极其明亮的天体，其发出的能量是整个银河系 2000 亿到 4000 亿颗恒星能量的 1000 倍。不断变化的类星体更加极端。它们似乎在几个月的时间里时亮时灭--这对于一个典型的类星体来说只是极短的时间。

尽管经典理论对吸积盘演化和亮度变化的速度提出了假设，但对变貌类星体的观测表明，它们的演化速度实际上要快得多。

"吸积盘的内部区域是大部分亮度的来源，它可以完全消失--在几个月内迅速消失。我们基本上可以看到它完全消失。系统不再明亮。然后，它又变亮了，这个过程不断重复。传统理论无法解释为什么它一开始就消失了，也无法解释它是如何如此迅速地重新充满的。"

新的模拟不仅有可能解释类星体，还能回答一直以来关于黑洞神秘本质的问题。

"气体如何进入黑洞为其提供能量是吸积盘物理学的核心问题，"卡兹说。"如果你知道这是如何发生的，就能知道圆盘会持续多久，有多亮，以及我们用望远镜观测时光线应该是什么样子。"