*模型

像大多数星系一样，银河系中心有一个超大质量的黑洞。这个被称为人马座A*的天体几十年来一直吸引着天文学家的好奇心。现在，人们努力直接想象它。

要想拍下这只“天兽”的好照片，需要更好地了解它周围的情况，由于涉及的尺度差异很大，这一点很有挑战性。“这是我们必须克服的最大问题，”加州大学圣巴巴拉分校Kavli理论物理研究所(KITP)的博士后研究员Sean Ressler说，他刚刚在《天体物理学杂志快报》上发表了一篇研究人马座a *周围吸积盘磁性特性的论文。

在这项研究中,莱斯勒,KITP博士后同事克里斯白人和他们的同事们,艾略特的加州大学伯克利分校和詹姆斯·斯通Quataert高级研究所的研究,试图确定黑洞的磁场,这是由落入其中的物质生成,可以建立,它短暂阻碍这个流,科学家称磁逮捕了一个条件。要回答这个问题，就需要一直模拟这个系统，直到最近的轨道恒星。

这个系统跨越了七个数量级。黑洞的视界，或者说是不返回的包络线，距离其中心大约400万到800万英里。与此同时，这些恒星的运行轨道在20万亿英里以外，大约与太阳最近的恒星一样远。

莱斯勒说:“所以你必须追踪从如此大的规模下降到如此小规模的物质。”在一个单一的模拟中做到这一点是非常具有挑战性的，甚至是不可能的。“最小的事件以秒为单位进行，而最大的现象要经历数千年。

本文将以理论为基础的小尺度模拟与受实际观测限制的大尺度模拟相结合。为了实现这一点，Ressler将任务按照三个重叠的尺度在模型之间划分。

第一个模拟是基于人马座A*星周围恒星的数据。幸运的是，这个黑洞的活动主要是由大约30个沃尔夫-雷耶特恒星主导的，它们会释放大量的物质。“仅仅一颗恒星的质量损失就比同一时间内落入黑洞的物质总量还要大，”莱斯勒说。恒星在这个动态阶段只花了大约10万年的时间，然后才过渡到一个更稳定的生命阶段。

 

利用观测数据，雷斯勒模拟了这些恒星在大约一千年的运行轨道。然后，他用这些结果作为模拟中程距离的起点，中程距离在更短的时间尺度上演化。他在模拟中重复了这个过程，一直到事件视界的边缘，那里的活动在几秒钟内就会发生。这种方法允许Ressler将三个模拟的结果相互淡化，而不是将硬重叠部分拼接在一起。

合著者怀特说:“这确实是[射手座]A*中最小尺度的吸积的第一个模型，它考虑了来自绕轨道运行的恒星的物质供给这一事实。”

这种技术非常有效。“这超出了我的预期，”莱斯勒说。

结果表明:人马座A*可以发生磁捕。这对研究小组来说是一个惊喜，因为银河系有一个相对安静的星系中心。通常，被磁捕获的黑洞会有高能喷流，以相对速度将粒子发射出去。但到目前为止，科学家们还没有发现在人马座A*周围存在喷射流的证据。

“另一个有助于产生喷流的成分是一个快速旋转的黑洞，”怀特说，“所以这可能告诉我们一些关于人马座a *的自旋。”

不幸的是，黑洞的自旋很难确定。Ressler将人马座A*建模为一个静止的物体。“我们对旋转一无所知，”他说。“有可能它实际上只是不旋转。”

雷斯勒和怀特的下一个计划是建立一个旋转后孔模型，这更具挑战性。它立即引入了许多新的变量，包括旋转速率、方向和相对于吸积盘的倾斜。他们将使用来自欧洲南方天文台重力干涉仪的数据来指导这些决定。

该小组利用模拟产生的图像可以与黑洞的实际观测结果进行比较。2019年4月，“视界”望远镜合作项目的科学家们拍摄了第一张黑洞的直接图像，并因此登上了新闻头条。现在，他们已经开始要求获得模拟数据，以补充他们拍摄人马座a的努力。

视界望远镜有效地使用了其观测值的平均时间，这导致图像模糊。当天文台观测到梅西耶87*时，这不是什么大问题，因为它比人马座A*大1000倍，所以它的变化速度要慢1000倍。

“这就像给树懒拍照和给蜂鸟拍照一样，”雷斯勒解释说。他们目前和未来的研究结果将有助于该联盟解释他们关于我们银河系中心的数据。

雷斯勒的结果是我们对银河系中心活动的理解上的一大步。“这是第一次在如此大的半径范围内对人马座A*进行三维模拟，也是第一次采用直接观测沃尔夫-拉耶特恒星的水平模拟，”Ressler说。