黑洞如何发射喷流?宇宙中最大的谜团之一,科学家首次找到了答案

黑洞如何发射喷流?宇宙中最大的谜团之一,科学家首次找到了答案
黑洞,这些强大到无以复加的光和物质的吞食者,也以无与伦比的威力和效率向外喷射光和物质。它们为等离子体束提供能量,这些等离子体束向太空延伸数千光年,形成了贯穿整个宇宙的发光射线。
物理学家们已经知道为什么会有东西会进入黑洞中,因为黑洞有如此大的引力,以至于光都无法从它们身边穿过。但是为什么会有喷射物从黑洞的边缘喷射出来呢?这是非常难以理解的。
宇宙中最大的谜团之一是黑洞如何发射出喷流物,”荷兰内梅亨大学的天体物理学家萨拉·伊绍恩(Sara Issaoun))说。
黑洞如何发射喷流?宇宙中最大的谜团之一,科学家首次找到了答案

第二张黑洞照片

黑洞如何发射喷流?宇宙中最大的谜团之一,科学家首次找到了答案

第一张黑洞照片

现在,伊绍恩已经开始解开这个谜题。几周前,黑洞事件视界望远镜(EHT)发布了它的第二张黑洞照片。这两张图片都显示了M87星系中心超大质量黑洞周围发光的等离子体。与第一张照片不同的是,新照片中的光环有条纹,这表明光是强偏振的。
专家们说,条纹的螺旋模式是由M87黑洞周围的一个强而有序的磁场造成的,这代表了第一个重要的经验证据,支持一个已有44年历史的喷射理论,即布兰福德-兹纳杰克过程( Blandford-Znajek process)。
1977年,剑桥大学的年轻物理学家罗杰·布兰福德和罗曼·兹纳杰克认为,旋转的超大质量黑洞把周围的磁场扭曲成一个紧密的螺旋线,这种扭曲将产生一种电压,将能量吸出黑洞并沿螺旋线旋转。他们声称,这就是喷流。
当时,这一过程是推测性的,但新的观察证实了布兰福德-兹纳杰克的观点。
此外,新的观测指向了布兰福德-兹纳杰克过程的两种情况之一(MAD和SANE),这两种情况在最近几十年里被计算机模拟了成百上千次。这些相互矛盾的观点对黑洞的环境,特别是其磁场的起源和强度,描绘了截然相反的景象。
长期以来,基于较弱磁场的理性模型被认为更为可信。但是事件视界望远镜的新照片中的强偏振光指向了强磁场,因此是MAD版本的事件。科罗拉多大学的理论天体物理学家亚历山大·陈说,新的图像似乎非常支持MAD模型。
关于黑洞喷流和它们在宇宙中的角色,还有更多需要弄清楚的地方。关于MAD场景的几个要素,人们的看法各不相同,MAD留下了许多悬而未决的问题,研究人员正在下一代模拟中探索这些问题。
M87中的黑洞和我们的太阳系差不多大,但它却产生了5000光年长的白热等离子体流。每秒钟大约有3万万万亿焦耳的能量流喷射出来——比人类在10年里燃烧掉的能量的总和还要多500万亿倍。

螺旋

M87黑洞的喷射流有史以来第一次被发现。1918年,赫伯·柯蒂斯观察到它:
一束奇怪的直射线,从一片朦胧的光斑中心发出。
上世纪70年代,史蒂芬·霍金和罗杰·彭罗斯还是博士后和研究生的时候,他们就已经在伦敦进行黑洞理论研究,这最终为彭罗斯赢得了2020年诺贝尔物理学奖。天文学家也开始认真对待黑洞,观察表明,x射线源天鹅座X-1就是这样一个物体。
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  • 来自天鹅座A星系的喷流产生了大量的星际斑点,在无线电波中可见。
布兰福德和兹纳吉克的注意力集中在令人费解的过多的双无线电源上——位于遥远星系两侧的巨大、明亮的射电发射团。关于这些可能是什么有很多理论。布兰福德和兹纳杰克是早期得出正确答案的人:这些斑点是从星系中心的一个大黑洞向相反方向喷射出的喷流的末端喷出的。
天体物理学家最终会证实,超大质量黑洞确实能够锚定星系,但在那个时候,布兰福德和兹纳杰克不仅在推测黑洞的存在,还在推测它们的喷射能力。
数学家罗伊·克尔(Roy Kerr)在1963年解出了一个旋转黑洞的方程,表明这个黑洞在转动过程中(无法被看到),扭曲着周围的时空结构。然后罗杰·彭罗斯证明了旋转的黑洞可以减速,在这样的过程中,它们将自己的旋转能量转化为其他东西。
布兰福德和兹纳杰克知道,星系中心的一个大黑洞,由于其巨大的引力,会吸引大量的星际气体。气体会落向黑洞,并围绕黑洞旋转,形成一个“吸积盘”。气体会升温,最终达到原子失去电子的温度,产生带有磁场的等离子体。
黑洞如何发射喷流?宇宙中最大的谜团之一,科学家首次找到了答案
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  • 罗杰·布兰福德(上)和罗曼·兹纳吉克(下)分别于1974年和1977年拍摄的照片,当时他们还是剑桥大学的研究员。
有了克尔的方程,布兰福德和兹纳杰克证明了当来自吸积盘的磁力线落在旋转的黑洞上时,黑洞的旋转把磁力线绕成一个沿黑洞旋转轴方向的螺旋。运动中的磁场会产生电压,所以一股电子和正电子的电流会开始通过螺旋,从黑洞的两个方向流出。这就是喷射流。

秩序与混乱

80年代和90年代,随着计算性能的提高,科学家模拟了布兰福德-兹纳杰克过程。但每一项——旋转的黑洞、磁场、吸积盘中的光和物质——都是可变的,没有人知道正确的“配方”。
21世纪头十年出现了两种计算机模拟模式:一种是由吸积盘主导的模型,另一种是磁场主导的模型。
最初,在80年代,研究人员在模拟中对吸积盘进行了少量磁化。在这些模型中(后来被称为SANE),等离子体围绕着黑洞旋转,微弱的、随机方向的、波动的磁场线也随之旋转。该场的湍流导致粒子碰撞并失去能量和角动量,使它们落入黑洞,而不是仅仅围绕黑洞旋转。当等离子体落进去时,它会向黑洞中传输微弱的磁场线。磁场线逐渐在它上面积累,并由于等离子体的涌入而保持在那里。最终,黑洞扭曲了这个混乱的磁场,足以喷射出一些物质。
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然后在20世纪90年代末,哈佛大学的拉梅什·纳拉扬(Ramesh Narayan)等研究人员开始提高模拟黑洞周围的磁场强度,只是为了看看会发生什么。这些物理学家发现,当磁场足够强时,它会变得连贯而不是混乱,并且它控制着吸积盘。磁场线在黑洞周围形成一个力场,充当喷流的套筒,同时也防止等离子体落入黑洞。物质有时会找到一个开口,突然地穿过磁障,滑入深渊。但在大多数情况下,吸积盘是锁定的。这些模拟被称为“磁阻吸积盘”或MAD模型。
“很长一段时间以来,人们认为SANE场景更自然,”普林斯顿大学的物理学家安德鲁·查尔说,他是EHT团队的一员,专门研究MAD模型。五年前,几乎所有人都在做SANE模拟。
但是事件视界望远镜拍摄到的来自M87黑洞周围的偏振光的新图像坚定地指向MAD方向。偏振光在一个平面上振动。照片中的螺旋图案表明,当你观察光环周围不同的地方时,光的振动平面会旋转,正如所预期的那样,辐射光的粒子围绕着磁场线旋转,而磁场线本身就有一个连贯的螺旋图案。

直接路径

要了解M87黑洞(以及其他可能存在喷流的超大质量黑洞)周围奇怪的强磁场的起源,专家们必须首先破解条纹偏振模式的密码。科学家正努力通过逆向工程来推断该场是什么样子。
与此同时,其他研究人员已经开始缩小MAD的范围,他们正在模拟黑洞周围更大的区域,以研究恒星如何产生迁移到黑洞中心的磁场。在未来几年内,将这种磁场与更大的尺度联系起来将是一件非常重要的事情。
采用相反的方法,三位年轻的研究人员正在放大喷射出的带电粒子。详细的粒子级模拟需要数百万小时,研究这些粒子对于计算出喷流的整体结构以及它们对所穿透的星系和星系间空间的影响可能是必要的。以M87黑洞的喷射为例,我们在天空中可以很清楚地看到它,有时会打结,有时它是连续的,但它非常的直而薄。理解这一点肯定会帮助我们理解它是如何与星系和星系间的介质相互作用的,例如,它是如何向星系传递能量的。它们中的一些就像天空中的线条。大自然能造出这些结构,真是令人惊讶。
2021-05-20 原文

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