吸積盤黑洞如何發(fā)射噴流？宇宙中最大的謎團(tuán)之一，科學(xué)家首次找到了答案吸積盤|星系

文章插圖
黑洞，這些強(qiáng)大到無以復(fù)加的光和物質(zhì)的吞食者，也以無與倫比的威力和效率向外噴射光和物質(zhì)。它們?yōu)榈入x子體束提供能量，這些等離子體束向太空延伸數(shù)千光年，形成了貫穿整個(gè)宇宙的發(fā)光射線。
物理學(xué)家們已經(jīng)知道為什么會有東西會進(jìn)入黑洞中，因?yàn)楹诙从腥绱舜蟮囊Γ灾劣诠舛紵o法從它們身邊穿過。但是為什么會有噴射物從黑洞的邊緣噴射出來呢？這是非常難以理解的。
宇宙中最大的謎團(tuán)之一是黑洞如何發(fā)射出噴流物，”荷蘭內(nèi)梅亨大學(xué)的天體物理學(xué)家薩拉·伊紹恩（Sara Issaoun）)說。

文章插圖
第二張黑洞照片

文章插圖
第一張黑洞照片
現(xiàn)在，伊紹恩已經(jīng)開始解開這個(gè)謎題。幾周前，黑洞事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）發(fā)布了它的第二張黑洞照片。這兩張圖片都顯示了M87星系中心超大質(zhì)量黑洞周圍發(fā)光的等離子體。與第一張照片不同的是，新照片中的光環(huán)有條紋，這表明光是強(qiáng)偏振的。
專家們說，條紋的螺旋模式是由M87黑洞周圍的一個(gè)強(qiáng)而有序的磁場造成的，這代表了第一個(gè)重要的經(jīng)驗(yàn)證據(jù)，支持一個(gè)已有44年歷史的噴射理論，即布蘭福德-茲納杰克過程（ Blandford-Znajek process）。
1977年，劍橋大學(xué)的年輕物理學(xué)家羅杰·布蘭福德和羅曼·茲納杰克認(rèn)為，旋轉(zhuǎn)的超大質(zhì)量黑洞把周圍的磁場扭曲成一個(gè)緊密的螺旋線，這種扭曲將產(chǎn)生一種電壓，將能量吸出黑洞并沿螺旋線旋轉(zhuǎn)。他們聲稱，這就是噴流。
當(dāng)時(shí)，這一過程是推測性的，但新的觀察證實(shí)了布蘭福德-茲納杰克的觀點(diǎn)。
此外，新的觀測指向了布蘭福德-茲納杰克過程的兩種情況之一（MAD和SANE），這兩種情況在最近幾十年里被計(jì)算機(jī)模擬了成百上千次。這些相互矛盾的觀點(diǎn)對黑洞的環(huán)境，特別是其磁場的起源和強(qiáng)度，描繪了截然相反的景象。
長期以來，基于較弱磁場的理性模型被認(rèn)為更為可信。但是事件視界望遠(yuǎn)鏡的新照片中的強(qiáng)偏振光指向了強(qiáng)磁場，因此是MAD版本的事件。科羅拉多大學(xué)的理論天體物理學(xué)家亞歷山大·陳說，新的圖像似乎非常支持MAD模型。
關(guān)于黑洞噴流和它們在宇宙中的角色，還有更多需要弄清楚的地方。關(guān)于MAD場景的幾個(gè)要素，人們的看法各不相同，MAD留下了許多懸而未決的問題，研究人員正在下一代模擬中探索這些問題。
M87中的黑洞和我們的太陽系差不多大，但它卻產(chǎn)生了5000光年長的白熱等離子體流。每秒鐘大約有3萬萬萬億焦耳的能量流噴射出來——比人類在10年里燃燒掉的能量的總和還要多500萬億倍。
螺旋M87黑洞的噴射流有史以來第一次被發(fā)現(xiàn)。1918年，赫伯·柯蒂斯觀察到它：
一束奇怪的直射線，從一片朦朧的光斑中心發(fā)出。
上世紀(jì)70年代，史蒂芬·霍金和羅杰·彭羅斯還是博士后和研究生的時(shí)候，他們就已經(jīng)在倫敦進(jìn)行黑洞理論研究，這最終為彭羅斯贏得了2020年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。天文學(xué)家也開始認(rèn)真對待黑洞，觀察表明，x射線源天鵝座X-1就是這樣一個(gè)物體。

文章插圖

來自天鵝座A星系的噴流產(chǎn)生了大量的星際斑點(diǎn)，在無線電波中可見。

布蘭福德和茲納吉克的注意力集中在令人費(fèi)解的過多的雙無線電源上——位于遙遠(yuǎn)星系兩側(cè)的巨大、明亮的射電發(fā)射團(tuán)。關(guān)于這些可能是什么有很多理論。布蘭福德和茲納杰克是早期得出正確答案的人：這些斑點(diǎn)是從星系中心的一個(gè)大黑洞向相反方向噴射出的噴流的末端噴出的。
天體物理學(xué)家最終會證實(shí)，超大質(zhì)量黑洞確實(shí)能夠錨定星系，但在那個(gè)時(shí)候，布蘭福德和茲納杰克不僅在推測黑洞的存在，還在推測它們的噴射能力。
數(shù)學(xué)家羅伊·克爾（Roy Kerr）在1963年解出了一個(gè)旋轉(zhuǎn)黑洞的方程，表明這個(gè)黑洞在轉(zhuǎn)動過程中（無法被看到），扭曲著周圍的時(shí)空結(jié)構(gòu)。然后羅杰·彭羅斯證明了旋轉(zhuǎn)的黑洞可以減速，在這樣的過程中，它們將自己的旋轉(zhuǎn)能量轉(zhuǎn)化為其他東西。
布蘭福德和茲納杰克知道，星系中心的一個(gè)大黑洞，由于其巨大的引力，會吸引大量的星際氣體。氣體會落向黑洞，并圍繞黑洞旋轉(zhuǎn)，形成一個(gè)“吸積盤”。氣體會升溫，最終達(dá)到原子失去電子的溫度，產(chǎn)生帶有磁場的等離子體。