破解大质量黑洞和类星体之谜

这一发现为了解星系的演化提供了新的视角。

在星系的中心，就像我们的星系一样银河系黑洞周围环绕着旋转的气体。有些闪耀着明亮的光芒，有源源不断的燃料供应，而另一些蛰伏了数百万年，只是在偶然涌入的气体中醒来。气体是如何穿越宇宙来喂养这些巨大的黑洞的，这在很大程度上仍是一个谜。

康涅狄格大学物理系助理教授Daniel Anglés-Alcázar，最近发表在《科学》杂志上的一篇论文的主要作者《天体物理学杂志》上通过使用新的高功率模拟来解决围绕这些巨大而神秘的宇宙特征的一些问题。

Anglés-Alcázar说:“超大质量黑洞在星系演化中发挥着关键作用，我们正试图了解它们是如何在星系中心生长的。”“这是非常重要的，不仅因为黑洞本身是非常有趣的物体，作为来源引力波以及各种有趣的东西，但也因为我们需要了解中心黑洞在做什么，如果我们想了解星系是如何进化的。”

Anglés-Alcázar也是熨斗研究所计算天体物理中心的副研究科学家，他说，要回答这些问题，一个挑战是创建足够强大的模型，以解释在这个过程中发挥作用的众多力量和因素。之前的工作要么是研究非常大的尺度，要么是非常小的尺度，“但研究同时连接的整个尺度范围一直是一个挑战。”

Anglés-Alcázar说，星系的形成始于主导该区域质量和引力势的暗物质晕，并开始从周围吸收气体。恒星从稠密的气体中形成，但其中一些必须到达星系中心才能养活黑洞．这些气体是如何到达那里的?Anglés-Alcázar说，对于一些黑洞来说，这涉及到大量的气体，相当于10倍太阳质量或更多的气体在短短一年内被吞噬。

他说:“当特大质量黑洞快速增长时，我们把它们称为类星体。”“它们的质量可以达到太阳质量的10亿倍，可以比星系中的任何其他东西都要亮。类星体的样子取决于它们在单位时间内加入多少气体。我们怎样才能把这么多气体弄到星系的中心，并且离得足够近，让黑洞能够抓住它并从那里生长呢?”

新的模拟为类星体的本质提供了关键的洞见，表明来自恒星的强大引力可以在不同尺度上扭曲和破坏气体的稳定，并驱动足够的气体流入，在星系活动高峰期为发光的类星体提供动力。

在可视化这一系列事件时，很容易看到建模它们的复杂性，Anglés-Alcázar说，有必要考虑影响黑洞演化的无数组成部分。

“我们的模拟包含了许多关键的物理过程，例如，气体的流体动力学，以及它如何在压力、引力和来自大质量恒星的反馈的影响下演变。像超新星这样的强大事件会向周围的介质注入大量的能量，这会影响星系的演化，所以我们需要整合所有这些细节和物理过程，以捕捉到准确的图像。”

基于以前的工作从火中(在现实环境中“反馈”)项目,Angles-Alcazar解释本文中概述的新技术,大大增加模型分辨率和允许后,气体流经星系的一千倍比以前更高的分辨率,

“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在做什么，或者更少的信息，星系周围的环境在做什么。事实证明，将所有这些过程同时联系起来非常重要，这就是这项新研究的切入点。”

Anglés-Alcázar说，它的计算能力同样巨大，数百个中央处理器(CPU)并行运行，很容易就会占用数百万个CPU小时。

“这是我们第一次能够创建一个模拟,可以捕获的全部范围尺度在单个模型,我们可以观察气体流动从大尺度到非常巨大星系的中心,我们正在关注。”

Anglés-Alcázar说，为了未来对星系和大质量黑洞的大量统计种群的研究，我们需要了解尽可能多的不同条件下的全貌和主要物理机制。

“这是我们非常兴奋的事情。这只是探索所有这些不同过程的开始，这些过程可以解释黑洞如何在不同的体制下形成和增长。”

想了解更多关于这项研究的信息，请阅读新的模拟揭示了星系如何喂养它们的超大质量黑洞．

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”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》上．
1538 - 4357 . DOI: 10.3847 / / ac09e8

除了Anglés-Alcázar，这项研究还包括了来自FIRE和SMAUG(“模拟多尺度天体物理学以理解星系”)合作的作者:埃利奥特·Quataert(加州大学伯克利分校和普林斯顿大学)、菲利普·霍普金斯(加州理工学院)、雷切尔·萨默维尔(熨斗学院)、克里斯托弗·海沃德(熨斗学院)，Claude-André Faucher-Giguère (西北大学格雷格·布莱恩(哥伦比亚大学)、Dušan Kereš(加州大学圣地亚哥分校)、Lars Hernquist(哈佛大学)、James M. Stone(高级研究所)。