超大质量黑洞可能会以惊人的速度撕裂并吞噬周围的尘埃和气体盘，这或许可以解释一类神秘的快速变亮类星体的行为。
超大质量黑洞的质量是太阳的百万到十亿倍，据信位于星系中心，在那里它们吞噬着环绕它们事件视界的扁平碎片盘，即物质无法逃脱引力束缚的“不归点”。新的研究表明，黑洞“重量级选手”可能会在数月至数年内吞噬其吸积盘的内部部分，这比之前认为的数世纪至数千年的时间框架要快得多。尽管这些结果来自计算机模拟，而非真实情况，但这个时间尺度与所谓的变貌类星体的观测结果相符。类星体是星系核，尘埃和气体落入黑洞并释放出耀眼的电磁辐射。变貌类星体会在数月内变暗和变亮，考虑到所涉及的巨大尺度，这是一个令人费解的时间线。
西北大学天体物理学研究生、研究负责人尼克·卡兹说：“有些奇怪的事情正在发生，它关掉了光，然后不知何故，它又在非常非常短的时间内重新变亮，对于一个超大质量黑洞来说。” 解开这个谜题可能有助于解释包括银河系在内的星系中心的黑洞巨兽是如何形成和增长的。
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早期的黑洞模型无法真正解释变貌类星体。卡兹说，这些早期模型是有限的，因为它们假设黑洞及其吸积盘将是对齐的：两者都将沿着同一平面存在并沿同一方向旋转。“现在我们拥有了这些非常强大的计算机模拟能力，因此我们可以探索更复杂的问题，”他说。
该研究团队使用了橡树岭国家实验室的 Summit 超级计算机，它是世界上最大的超级计算机之一，创建了一个倾斜吸积盘黑洞的三维模型。这个偏离中心的吸积盘不像唱机上的黑胶唱片那样平稳旋转，而更像是一个陀螺仪，盘片以不同的角度和速度旋转和摆动。卡兹说，驱动旋转的力在靠近黑洞的地方最强，而在远离黑洞的地方最弱，因此盘片自然而然地会撕裂。但摩擦力和磁场等力会努力使其保持在一起。
“你在这场星系级别的拔河比赛中，黑洞的旋转试图撕裂盘片，而吸积盘的内部流体动力学则试图保持在一起，”他说。
这场星系级别的拔河比赛导致时空本身发生扭曲。由于这种扭曲在靠近事件视界的地方会增强，吸积盘开始分离，内盘与外盘分离，卡兹和他的同事在9月20日发表在《天体物理学杂志》上的报告中指出。卡兹说，这两个盘片猛烈碰撞，外盘的力量将内盘的物质推入黑洞。留下的空隙很快被外盘物质重新填满，然后经历同样的剧烈循环，最终也被吞噬。
卡兹说，这个过程可能就是变貌类星体背后的原因。“我们有一些新的东西，从观测角度来看肯定很有趣，”他说。“然后，从观测角度来看，有些神秘的东西可能与这个故事自然匹配。”
普林斯顿大学的博士后研究员和等离子体物理学家维森特·巴伦苏埃拉-维拉塞卡说，这项研究揭示了混乱的双盘结构内有趣的细节，他没有参与这项新研究。为了他自己的研究，巴伦苏埃拉-维拉塞卡在实验室中用等离子体或带电气体创建黑洞吸积盘。巴伦苏埃拉-维拉塞卡说，他的团队可以扰乱模拟的吸积盘，以尝试重现卡兹和他的同事发现的那种动力学。
巴伦苏埃拉-维拉塞卡补充说：“星系中心的超大质量黑洞的质量与星系之间存在非常著名的相关性。“它们似乎是共同演化的。” 天文学家仍在研究超大质量黑洞在早期宇宙中是如何如此迅速地增长的，因此更好地了解它们的动力学可能有助于回答关于它们起源的问题，卡兹说。
卡兹说，这种摆动的吸积盘也可能环绕着小得多的恒星黑洞，它们的质量通常是太阳的三到二十倍左右。这些微小的黑洞也可能具有倾斜的盘片和类似的混沌动力学。“这个领域正在开展一场持续的运动，试图了解我们在夜空中看到的东西并将其全部编目，”他说。