M87 喷流建模为什么黑洞喷流会发光并刺穿宇宙天空

中国科学院上海天文台袁峰博士领导的国际团队通过计算黑洞喷流的两种主要模型预测的辐射并与M87喷流的观测结果进行比较，研究了这两种模型的有效性。并发现“黑洞旋转能量提取”模型准确地预测了观测到的喷流，而“吸积盘旋转能量提取”模型则难以解释观测结果。

辐射电子通过黑洞喷流中的磁重联加速，这可能是由吸积盘中的“磁喷发”驱动的。该研究发表在《科学进展》上。

黑洞是宇宙中极其奇特的天体，拥有极其强大的引力，在其半径(称为事件视界)内甚至连光都无法逃逸。

然而，一个多世纪前，观测表明，就在黑洞事件视界之外，在非常近的距离处，黑洞可以以接近光速的速度喷出强大的物质和能量流——称为喷流。望远镜捕捉到的图像显示，这些喷流笔直向外射出，就像激光束一样，延伸到很远的距离，有些喷流的长度甚至超过了星系的规模。

这些神秘喷流是如何形成的，一个多世纪以来一直是包括诺贝尔奖获得者罗杰·彭罗斯爵士在内的许多学者研究的问题。目前，该研究领域主要有两种模型。一是从超大尺度的磁场中提取黑洞的旋转能量，称为“黑洞旋转能量的提取”模型。另一种也依赖于大尺度磁场，但与第一种不同的是，它涉及提取吸积盘的旋转能量，称为“吸积盘旋转能量提取”模型。

天文学家正试图仅解决喷流的能量来源问题。这两个模型产生的射流能否与射流形态、宽度、速度场和极化方面的观测结果相匹配?这些射流形成机制的两个模型中哪一个是正确的?袁峰博士带领的团队回答了这两个问题。

该团队以M87星系中心超大质量黑洞的喷流作为案例。这个超大质量黑洞被称为事件视界望远镜(EHT)捕获的第一张黑洞图像中的“恒星”。该团队采用大规模数值模拟方法求解广义相对论磁流体动力学方程组，得到了黑洞周围的吸积流以及上述两个模型产生的喷流。

为了计算喷流的辐射并将其与观测结果进行比较，辐射电子的能谱和空间分布至关重要。研究小组假设电子加速是通过喷流中的“磁重联”机制发生的。它考虑了磁重联加速电子的物理机制，并利用动力学理论结合粒子加速研究的结果来求解稳态电子能量分布方程。它获得了射流不同区域的电子能谱和数密度。

结合磁场强度、气体等离子体温度和速度等吸积物数值模拟结果，研究小组在广义相对论框架下计算辐射传输，得到了各种预测观测结果，可以与实际观测进行比较。

结果表明，“黑洞旋转能量提取”模型预测的喷流形态与观测到的喷流形态吻合较好，该模型的其他预测如喷流的“肢体亮化”、喷流宽度等、长度和速度场也与观测结果非常吻合。相比之下，“吸积盘旋转能量提取”模型的预测与观测结果不一致。

此外，研究小组分析了磁重联的物理机制，发现该机制是由于M87黑洞吸积盘中的磁场产生的“磁喷发”。这些喷发会对磁场造成强烈干扰，磁场可以传播很长的距离，导致喷流中的磁重联。

这项工作弥合了喷流形成的动态模型和喷流的各种观测特性之间的差距，提供了第一个证据，证明这个众所周知的动态模型解决了喷流的能量问题，并解释了其他各种观测结果。