天體物理學家利用模型準確預測了觀測到的M87黑洞噴流的形態

黑洞是引人入勝的宇宙實體，其引力非常強大，一旦進入黑洞的事件視界，連光都無法逃脫。然而，有趣的是，一百多年前，人們發現就在事件視界之外，黑洞可以產生強大的物質和能量流，即噴流，其傳播速度幾乎和光一樣快。望遠鏡觀測顯示，這些噴流以類似激光束的集中流向外直接延伸，有些噴流的長度甚至超過了整個星系。

自從發現噴流以來，包括諾貝爾獎獲得者羅傑-彭羅斯爵士在內的許多學者都在研究這些神秘現象的形成。目前，有兩種主要模型試圖解釋噴流的形成："BZ-噴流模型"是以研究人員布蘭福德和茲納傑克的名字命名的，也是目前最有影響力的模型，它認爲噴流是通過與黑洞事件視界相連的磁場線從黑洞中提取自旋能量而形成的。與此相反，第二種模型認爲噴流是通過從黑洞的吸積盤中提取旋轉能量形成的。後者是在黑洞強大引力作用下圍繞黑洞旋轉的電離氣體的集合。第二種模型可以被稱爲"圓盤-噴流模型"。

儘管其他研究人員已經使用 BZ 射流模型模擬了廣義相對論準直外流，實際上也就是射流，但還不清楚 BZ 射流模型能否解釋觀測到的實際射流的形態，包括其拉長的結構、寬度和邊緣增亮（即射流邊緣附近亮度增加）。

爲了研究這兩個模型的有效性，中國科學院上海天文臺袁峰博士領導的一個國際研究小組計算了這兩個模型分別預測的位於室女座巨型星系Messier 87（M87）中心的超大質量黑洞的噴流。研究小組隨後將計算結果與對M87噴流的實際觀測結果進行了比較，後者被記錄在事件地平線望遠鏡（EHT）首次捕捉到的黑洞圖像中。研究小組的研究表明，BZ-噴流模型準確地預測了觀測到的M87噴流的形態，而圓盤-噴流模型則難以解釋觀測結果。該研究發表在《科學進展》（Science Advances）上。

模型預測圖像與觀測圖像的對比

研究小組首先採用了三維廣義相對論磁流體力學（GRMHD）模擬來再現M87噴流的結構。爲了計算模擬噴流的輻射並將輻射與觀測結果進行比較，輻射電子的能譜和空間分佈至關重要。研究小組假設電子加速是通過"磁重聯"發生的，即磁能轉化爲動能、熱能和粒子加速的過程。根據這一假設，研究小組結合粒子加速研究的結果，利用動力學理論求解了穩態電子能量分佈方程。然後，研究小組獲得了模擬射流不同區域的電子能量譜和數量密度。

在距離核心的三個距離上，由基準模型預測的邊緣增亮（實線）及其與觀測數據的比較（虛線）

將這些信息與吸積模擬（包括磁場強度、氣體等離子體溫度和速度）相結合，研究小組獲得了可以與實際觀測結果進行比較的結果。結果顯示，BZ-噴流模型預測的噴流形態與觀測到的M87噴流形態非常吻合，包括噴流寬度、長度、邊緣增亮特徵和速度。相比之下，盤狀噴流模型的預測結果與觀測結果不一致。

此外，研究小組還分析了磁再連接過程，發現它是由於M87黑洞吸積盤中的磁場產生的磁爆發造成的。這些爆發對磁場造成了強烈的擾動，這種擾動可以傳播很遠的距離，從而導致噴流中的磁重聯。

這項工作彌合了噴流形成動態模型與各種觀測到的噴流特性之間的差距，首次證明 BZ 噴射模型解決了噴流的能量問題，也解釋了其他觀測結果。

編譯來源：ScitechDaily