新的模拟技术揭示星系是如何为其超大质量黑洞提供能量的

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该模拟还为类星体的神秘性质提供了罕见的洞察力，类星体是令人难以置信的发光、快速增长的黑洞。类星体是宇宙中最明亮的天体之一，它甚至经常比整个星系都要亮。

西北大学的Claude-André Faucher-Giguère是这项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线是由气体落入超大质量黑洞并在此过程中被加热而产生的。我们的模拟显示，星系结构，如旋臂，利用引力来‘踩刹车’，否则气体将永远围绕星系中心运行。这种‘刹车’机制使气体转而落入黑洞，而引力‘刹车’足以解释我们观察到的类星体。”

该研究于2021年8月17日发表在《天体物理学杂志》上。

Faucher-Giguère是西北大学温伯格文理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。康涅狄格大学的副教授、Faucher-Giguère小组的前CIERA研究员Daniel Anglés-Alcázar是该论文的第一作者。

超大质量黑洞的质量相当于数百万甚至数十亿个太阳的质量，其可以在短短一年内吞噬10倍于一个太阳的质量。但是，当一些超大质量黑洞享受着持续的“食物供应”时，其他的黑洞却休眠了数百万年，只是在偶然的气体涌入下“突然苏醒”。关于气体如何在宇宙中流动以供给超大质量黑洞的细节一直是一个长期存在的问题。

为了解开这个谜团，研究小组开发了新的模拟，它将许多关键的物理过程--包括宇宙的膨胀和大尺度的星系环境、重力气体流体力学和大质量恒星的反馈--纳入一个模型。

Anglés-Alcázar说：“超新星等强大的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过程。因此，我们需要将所有这些细节和物理过程纳入其中，以捕捉一个准确的画面。”

在FIRE（"现实环境中的反馈"）项目以前的工作基础上，新技术大大增加了模型的分辨率，并允许跟踪气体在星系中流动，其分辨率比以前好1000多倍。

Anglés-Alcázar说：“其他模型可以告诉你很多关于非常接近黑洞所发生的事情的细节，但是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，同时连接所有这些过程是非常重要的。”

“超大质量黑洞的存在本身就相当惊人，然而对于它们是如何形成的却没有共识，”Faucher-Giguère说。“超大质量黑洞如此难以解释的原因是，形成它们需要将大量的物质塞进一个微小的空间。宇宙是如何做到这一点的？直到现在，理论家们开发的解释是依靠拼凑不同的想法，即星系中的物质如何被塞进星系最里面的百万分之一大小。”

有了新的模拟，研究人员终于可以模拟这种情况是如何发生的。例如，新的模拟将帮助研究人员了解我们自己的银河系中心的超大质量黑洞的起源，以及Messier 87星系中心的超大质量黑洞，该星系在2019年被事件视界望远镜拍摄到。接下来，研究人员的目标是研究大型的星系统计种群及其中心黑洞，以更好地了解黑洞如何在各种条件下形成和成长。