模擬截圖顯示了超大質量黑洞享用周圍氣體和塵埃圓盤的新方式。(圖片鳴謝:uux.cn/a . Tchekhovskoy/Nick Kaaz/西北大學)
（神秘的地球uux.cn）據美國太空網（羅伯特·李）：超大質量黑洞可能有一個完全意想不到的宇宙運輸服務，為它們提供氣體和塵埃來享用。這可能會導致宇宙巨人進食的速度比科學家們預期的要快得多，他們會在幾個月的時間內狼吞虎咽，而不是幾百年甚至幾千年。
超大質量黑洞的質量是太陽的數百萬甚至數十億倍，被認為居住在大多數星係的中心，當它們被稱為吸積盤的巨大氣體和塵埃板包圍時，它們為類星體提供動力。類星體是活躍星係的明亮核心，它們非常明亮，比周圍整個星係中所有恒星的光加起來還要亮。
這些關於黑洞進食率的新發現可能有助於闡明超大質量空洞如何吞噬周圍的物質，以及這一過程如何影響星係的演化。
這項研究是由一組科學家進行的高分辨率3D模擬的結果，他們開始了解黑洞動力學，並最終捕捉到這些難以捉摸的現象驚人的快速傳播速度。此外，這種增加的速率也可能得到類星體真實世界觀測的支持，其中一些類星體會在幾個月的時間尺度內變亮和變暗。
“氣體如何到達黑洞並為其提供食物是吸積盤物理學的核心問題，”小組組長、西北大學天文學家尼克·卡茲在一份聲明中說。“如果你知道這是如何發生的，它將告訴你這個圓盤持續多長時間，它有多亮，以及當我們用望遠鏡觀察它時，光應該是什麽樣子的。”
超大質量黑洞在用餐時是如此的累贅
超大質量黑洞如此巨大，以至於當它們旋轉時，它們會拖著空間和時間的結構一起旋轉，這種現象被稱為“幀拖曳”或“透鏡-三環效應”。使用橡樹嶺國家實驗室的Summit超級計算機進行的3D模擬顯示，這種空間扭曲撕裂了吸積盤，並導致它們分裂為內部和外部“子盤”。
在某種程度上，超大質量黑洞把內部圓盤當作開胃菜，因為它們通過吞噬首先在那裏發現的氣體和塵埃開始它們的晚餐。當這發生時，外層圓盤的物質過濾進來，最終填滿黑洞吞噬內層圓盤後留下的空隙。這個填滿的圓盤就變成了主菜，讓喂食過程重新開始。

模擬截圖顯示了超大質量黑洞享用周圍氣體和塵埃圓盤的新方式。(圖片鳴謝:uux.cn/a . Tchekhovskoy/Nick Kaaz/西北大學)
該團隊的模擬顯示，黑洞的整個宇宙進食經曆，即進食、再進食、再進食，可以在僅僅幾個月的時間內進行，這比之前計算的時間尺度要快得多。這可能最終解釋了為什麽一些類星體快速閃爍，然後消失。
“經典吸積盤理論預測，圓盤演化緩慢，”Kaaz說。“但是一些類星體——由黑洞吞噬吸積盤中的氣體而產生——似乎會在幾個月到幾年的時間尺度內發生劇烈變化。這種變化如此劇烈。”
Kaaz也是天體物理學跨學科探索和研究中心(CIERA)的成員，他補充說，從模擬來看，看起來像是圓盤的內部部分——類星體的大部分光來自那裏——被破壞，然後被補充。
“經典吸積盤理論無法解釋這種劇烈的變化，”他說。“但是我們在模擬中看到的現象有可能解釋這一點。快速變亮和變暗與光盤內部被破壞的區域一致。”
超大質量黑洞吃陀螺儀而不是盤子

模擬截圖顯示了超大質量黑洞享用周圍氣體和塵埃圓盤的新方式。(圖片鳴謝:uux.cn/a . Tchekhovskoy/Nick Kaaz/西北大學)
一些科學家認為，超大質量黑洞周圍的吸積盤非常有序，盡管由於超大質量黑洞位於其中心的引力影響，它們經曆了激烈的條件。由於這種影響，吸積盤中的氣體和塵埃圍繞黑洞運行，同時停留在同一平麵上，並以與空洞相同的方向旋轉，氣體非常緩慢地落到黑洞的外部邊界。這個邊界被稱為事件視界。
“幾十年來，人們做了一個非常大的假設，吸積盤與黑洞的旋轉一致，”Kaaz說。“但是供給這些黑洞的氣體不一定知道黑洞旋轉的方向，那麽為什麽它們會自動對齊呢？改變對齊方式會極大地改變畫麵。”
這張新呈現的照片顯示了一個正在進食的超大質量黑洞周圍更加混亂和動蕩的環境。

模擬截圖顯示了超大質量黑洞享用周圍氣體和塵埃圓盤的新方式。(圖片鳴謝:uux.cn/a . Tchekhovskoy/Nick Kaaz/西北大學)
這種現象的核心是lens-thir ring效應，當你靠近中心黑洞時，這種效應會變得更強，導致吸積盤抖動，最裏麵的區域旋轉得更快。這相當於一個旋轉的陀螺，當它慢下來時就開始擺動，但內部吸積的擺動比外部圓盤的擺動更極端。
這扭曲了整個圓盤係統，導致來自不同區域的氣體相互碰撞，產生明亮的衝擊波，並驅使物質越來越靠近超大質量黑洞本身。最終，擺動效應變得如此強烈，吸積盤分裂。合成的內外盤分別演化，形成不同的擺動。在那一點上，整個吸積盤更像是陀螺儀的環，而不是旋轉的盤子。
“當內部圓盤撕裂時，它將獨立進動，”Kaaz說。“它進動得更快，因為它更靠近黑洞，而且因為它很小，所以更容易移動。”

模擬截圖顯示了超大質量黑洞享用周圍氣體和塵埃圓盤的新方式。(圖片鳴謝:uux.cn/a . Tchekhovskoy/Nick Kaaz/西北大學)
該團隊創建的模擬表明，超大質量黑洞的瘋狂進食始於內盤和外盤之間的斷裂或“撕裂區域”。此外，當摩擦力試圖將圓盤結合在一起，而lens-thir ring效應進一步將它們分開時，就會發生這種情況。
“黑洞的旋轉與圓盤內部的摩擦和壓力之間存在競爭，”Kaaz說。“撕裂區域是黑洞獲勝的地方。內盤和外盤相互碰撞。外盤刮掉內盤的幾層，向內推它

模擬截圖顯示了超大質量黑洞享用周圍氣體和塵埃圓盤的新方式。(圖片鳴謝:uux.cn/a . Tchekhovskoy/Nick Kaaz/西北大學)
因為這些圓盤以不同的角度定向，所以外盤將物質倒在內盤上，這將內盤推得更靠近黑洞，加快了它被黑洞吞噬的速度。當這種情況發生時，黑洞的巨大引力吸引外層圓盤，迫使它取代內層圓盤。
“吸積盤的內部區域，也就是大部分亮度的來源，可能會在幾個月內完全消失——真的很快，”Kaaz說。“我們基本上看到它完全消失了。係統不再明亮。然後，它再次變亮，重複這個過程。常規理論沒有任何辦法解釋它最初為什麽會消失，也解釋不了它是如何如此迅速地重新填充的。”
該團隊的研究發表在周三(9月20日)的《天體物理學雜誌》上。