超大質量黑洞可能會以驚人的速度撕裂併吞噬周圍的塵埃和氣體盤，這或許可以解釋一類神秘的快速變亮類星體的行為。
超大質量黑洞的質量是太陽的百萬到十億倍，據信位於星系中心，在那裡它們吞噬著環繞它們事件視界的扁平碎片盤，即物質無法逃脫引力束縛的“不歸點”。新的研究表明，黑洞“重量級選手”可能會在數月至數年內吞噬其吸積盤的內部部分，這比之前認為的數世紀至數千年的時間框架要快得多。儘管這些結果來自計算機模擬，而非真實情況，但這個時間尺度與所謂的變貌類星體的觀測結果相符。類星體是星系核，塵埃和氣體落入黑洞並釋放出耀眼的電磁輻射。變貌類星體會在數月內變暗和變亮，考慮到所涉及的巨大尺度，這是一個令人費解的時間線。
西北大學天體物理學研究生、研究負責人尼克·卡茲說：“有些奇怪的事情正在發生，它關掉了光，然後不知何故，它又在非常非常短的時間內重新變亮，對於一個超大質量黑洞來說。” 解開這個謎題可能有助於解釋包括銀河系在內的星系中心的黑洞巨獸是如何形成和增長的。
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早期的黑洞模型無法真正解釋變貌類星體。卡茲說，這些早期模型是有限的，因為它們假設黑洞及其吸積盤將是對齊的：兩者都將沿著同一平面存在並沿同一方向旋轉。“現在我們擁有了這些非常強大的計算機模擬能力，因此我們可以探索更復雜的問題，”他說。
該研究團隊使用了橡樹嶺國家實驗室的 Summit 超級計算機，它是世界上最大的超級計算機之一，建立了一個傾斜吸積盤黑洞的三維模型。這個偏離中心的吸積盤不像唱機上的黑膠唱片那樣平穩旋轉，而更像是一個陀螺儀，碟片以不同的角度和速度旋轉和擺動。卡茲說，驅動旋轉的力在靠近黑洞的地方最強，而在遠離黑洞的地方最弱，因此碟片自然而然地會撕裂。但摩擦力和磁場等力會努力使其保持在一起。
“你在這場星系級別的拔河比賽中，黑洞的旋轉試圖撕裂碟片，而吸積盤的內部流體動力學則試圖保持在一起，”他說。
這場星系級別的拔河比賽導致時空本身發生扭曲。由於這種扭曲在靠近事件視界的地方會增強，吸積盤開始分離，內盤與外盤分離，卡茲和他的同事在9月20日發表在《天體物理學雜誌》上的報告中指出。卡茲說，這兩個碟片猛烈碰撞，外盤的力量將內盤的物質推入黑洞。留下的空隙很快被外盤物質重新填滿，然後經歷同樣的劇烈迴圈，最終也被吞噬。
卡茲說，這個過程可能就是變貌類星體背後的原因。“我們有一些新的東西，從觀測角度來看肯定很有趣，”他說。“然後，從觀測角度來看，有些神秘的東西可能與這個故事自然匹配。”
普林斯頓大學的博士後研究員和等離子體物理學家維森特·巴倫蘇埃拉-維拉塞卡說，這項研究揭示了混亂的雙盤結構內有趣的細節，他沒有參與這項新研究。為了他自己的研究，巴倫蘇埃拉-維拉塞卡在實驗室中用等離子體或帶電氣體建立黑洞吸積盤。巴倫蘇埃拉-維拉塞卡說，他的團隊可以擾亂模擬的吸積盤，以嘗試重現卡茲和他的同事發現的那種動力學。
巴倫蘇埃拉-維拉塞卡補充說：“星系中心的超大質量黑洞的質量與星系之間存在非常著名的相關性。“它們似乎是共同演化的。” 天文學家仍在研究超大質量黑洞在早期宇宙中是如何如此迅速地增長的，因此更好地瞭解它們的動力學可能有助於回答關於它們起源的問題，卡茲說。
卡茲說，這種擺動的吸積盤也可能環繞著小得多的恆星黑洞，它們的質量通常是太陽的三到二十倍左右。這些微小的黑洞也可能具有傾斜的碟片和類似的混沌動力學。“這個領域正在開展一場持續的運動，試圖瞭解我們在夜空中看到的東西並將其全部編目，”他說。