活动星系核(AGN)反馈是目前天体物理的重要研究课题。袁峰、季索清课题组经过两年多的自主研发，基于原有的二维AGN反馈模型平台MACER，成功将该模型进行了大幅度升级，实现了三维的模拟平台MACER3D。该平台实现了从黑洞吸积盘边界至星系晕尺度（~250 kpc）的模拟，包含了宇宙学内流、AGN反馈、恒星反馈等重要物理过程。平台的建立为下一步基于进行一系列的活动星系核反馈研究工作打下了坚实基础。相关成果以MACER3D — an upgrade of MACER2D with enhanced subgrid models and gas physics — and its application to simulating AGN feedback in a massive elliptical galaxy为题，近日在《天体物理学杂志》（The Astrophysical Journal）发表。中国科学院上海天文台博士生张浩恩、夏浩杰为共同第一作者，季索清青年研究员、袁峰教授为共同通讯作者。
观测发现，星系中心的超大质量黑洞的质量与宿主星系的性质存在强相关，暗示黑洞与星系是共同演化的。该共同演化的物理机制一般认为是活动星系核反馈。由于该过程的复杂性，理论研究主要通过数值模拟进行，而目前国际上的模拟主要是在宇宙学尺度进行的，最有影响力的工作有比如IllustrisTNG，EAGLE等等。这种模拟的优点是能够提供星系演化的可靠环境，如星系所在的引力势。但缺点也是明显的：由于分辨率低，导致模拟无法准确分辨小尺度物理过程。比如对于研究AGN反馈最重要的黑洞吸积率的估计，宇宙学模拟的误差会达到2个数量级以上。除了黑洞吸积率，活动星系核的辐射、风、喷流对黑洞周围气体的影响也难以被准确计算，而不得不采用一些参数化的唯像方法。
与国际主流的宇宙学模拟不同，申请人课题组另辟蹊径，多年来专注于在星系尺度而不是宇宙学尺度上进行高分辨率活动星系核反馈数值模拟研究，于2018年成功开发完成了MACER模型。与宇宙学模拟相比，MACER最大的优点是具有极高的空间分辨率，能够分辨吸积盘的外边界，这样就可以准确计算出黑洞吸积率。另外，我们还可以方便地引入物理上更可靠的AGN反馈模型，能够准确计算AGN的各种输出以及这些输出与星系气体的相互作用。课题组应用MACER模型对AGN反馈进行了一系列研究，取得了不少重要结果。
但该模型是两维的，其轴对称假设导致模拟存在湍流能量逆向串级、非对称结构缺失等缺点，另外该模型的基础代码——ZEUS——也略显陈旧。研究团队历时两年攻坚，基于新一代流体力学代码Athena++构建了MACER3D框架，实现了从两维向三维的跨越——不仅突破计算量指数级增长的瓶颈，还将辐射冷却算法、超新星反馈、多相湍流等前沿成果系统融入MACER3D。此外，该框架具有高度的可扩展性，未来可以方便地加入磁场、宇宙射线等物理模块。课题组用MACER3D对椭圆星系的演化进行了模拟，如图一所示。在验证以前的MACER结果的同时，还发现了很多有趣的新结果。
论文链接：https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/adcaba
图1：不同时刻、AGN不同光度下，模拟的椭圆星系中气体的数密度、温度、以及径向速度的空间分布。