天文學家發現黑洞噴流的輻射機制
中新網3月25日電 據中國科學院上海天文臺網站消息，近期，由中國科學院上海天文臺袁峰研究員帶領的國際團隊以M87星系中心超大質量黑洞的噴流為研究對象，對目前主要的兩種黑洞噴流模型的正確性進行了研究。
研究團隊通過計算兩種模型預言的輻射并與觀測進行對比，發現通過磁場提取黑洞轉動能的模型所預言的噴流與實際觀測結果非常一致，而另一個通過磁場提取黑洞吸積盤轉動能的模型則難以解釋觀測結果。研究團隊還進一步分析了黑洞噴流中產生“磁重聯”的物理機制，發現這是由于M87黑洞吸積盤中磁場會產生“磁爆發”，該爆發能夠對磁場產生強擾動，該擾動能夠傳播很遠的距離，導致噴流中的磁重聯。相關研究結果以“Modeling the inner part of the jet in M87: confronting jet morphology with theory”為題，于北京時間2024年3月23日發表在《科學進展》(Science Advances)上。
黑洞是宇宙中非常奇特的天體，具有超強的引力，以至于在黑洞半徑內連光都無法逃脫它的引力束縛。然而，100多年前天文學家通過觀測發現，就在黑洞半徑之外距離很近的地方，黑洞卻能以接近光速的速度向外噴射出包含物質和能量的強大外流――噴流。望遠鏡拍到的圖片顯示，噴流就像一束激光一樣筆直地向外噴射到很遠的距離，有些噴流的長度甚至可以遠遠超過星系的尺度。
神秘的噴流是如何形成的？這個問題已有100余年的研究歷史，包括諾貝爾物理獎獲得者彭羅斯在內的很多學者都對此進行過研究。目前在該研究領域，主要有兩個模型，一是通過大尺度磁場提取黑洞的轉動能，即“提取黑洞轉動能”模型；第二個模型也需要大尺度磁場，但與第一個模型不同，磁場提取的是吸積盤的轉動能，即“提取吸積盤轉動能”模型。
不管是哪個模型，天文學家們試圖解決的都只是噴流的能量來源問題。但是，這兩種模型產生的噴流能否與對噴流的形態、寬度、速度場、偏振等的觀測結果一致？另外一個重要問題是，上述兩個噴流形成機制的模型，哪一個是正確的？中國科學院上海天文臺袁峰研究員領導的國際合作團隊針對這兩個問題進行了研究。他們發現，通過磁場提取黑洞轉動能的模型所預言的噴流與觀測結果非常一致，而另一個模型則難以解釋觀測結果。
該團隊是以M87星系中心超大質量黑洞的噴流為例具體進行研究。M87星系中心超大質量黑洞就是“事件視界望遠鏡”(EHT)拍攝的人類第一張黑洞照片的“明星黑洞”。首先，研究團隊利用大規模數值模擬方法求解廣義相對論磁流體力學方程組，得到了黑洞吸積流、以及上述兩種機制產生的噴流。要計算噴流的輻射，并進而與觀測進行對比，獲得輻射電子的能譜和空間分布是關鍵。研究團隊假設電子加速是通過噴流中的“磁重聯”機制進行的。在這一假設下，他們考慮了磁重聯加速電子的物理機制，并結合了利用動理論進行的粒子加速研究結果，通過求解一個穩態的電子能量分布方程，得到了噴流中不同空間的電子的能譜和數密度。有了這一信息，加上黑洞吸積數值模擬得到的磁場強度、氣體等離子體溫度、速度等結果，就可以在廣義相對論框架下計算噴流中的輻射轉移，得到各種預言的觀測結果，從而與真正的觀測結果進行對比。研究結果顯示，“提取黑洞轉動能”模型預言的噴流形態與實際觀測到的噴流形態的符合得非常好。更多詳細的分析表明，該模型預言的其他結果，如噴流的“邊緣變亮”、噴流寬度、長度、速度場等，也都與觀測符合得很好。而“提取吸積盤轉動能”模型的預言則與觀測不一致。
除此之外，研究團隊還進一步分析了磁重聯產生的物理機制，發現這是由于M87黑洞吸積盤中磁場會產生“磁爆發”，該爆發能夠對磁場產生強擾動，該擾動能夠傳播很遠的距離，導致噴流中的磁重聯。
袁峰研究員表示：“這一工作在噴流形成的動力學模型與望遠鏡觀測到的噴流的各種性質之間架起了一座橋梁，首次證明了這一著名的動力學模型不但能解決噴流的能源問題，還能解釋其他各種噴流的觀測結果。這為我們下一步理解黑洞附近更多的未解之謎提供了突破口。”
圖片展示了“提取黑洞轉動能”模型預言的噴流形態與實際觀測到的噴流形態的對比。從圖中可見理論預言與觀測符合得非常好。更多詳細的分析表明，該模型預言的其他結果，如噴流的“邊緣變亮”、噴流寬度、長度、速度場等，也都與觀測符合得很好。而“提取吸積盤轉動能”模型的預言則與觀測不一致。 圖片來源：中國科學院上海天文臺網站本文鏈接：天文學家發現黑洞噴流的輻射機制http://www.sq15.cn/show-2-4354-0.html
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