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( 二 ) 吸積盤|星系

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羅杰·布蘭福德（上）和羅曼·茲納吉克（下）分別于1974年和1977年拍攝的照片，當(dāng)時(shí)他們還是劍橋大學(xué)的研究員。

有了克爾的方程，布蘭福德和茲納杰克證明了當(dāng)來自吸積盤的磁力線落在旋轉(zhuǎn)的黑洞上時(shí)，黑洞的旋轉(zhuǎn)把磁力線繞成一個(gè)沿黑洞旋轉(zhuǎn)軸方向的螺旋。運(yùn)動(dòng)中的磁場會(huì)產(chǎn)生電壓，所以一股電子和正電子的電流會(huì)開始通過螺旋，從黑洞的兩個(gè)方向流出。這就是噴射流。
秩序與混亂80年代和90年代，隨著計(jì)算性能的提高，科學(xué)家模擬了布蘭福德-茲納杰克過程。但每一項(xiàng)——旋轉(zhuǎn)的黑洞、磁場、吸積盤中的光和物質(zhì)——都是可變的，沒有人知道正確的“配方”。
21世紀(jì)頭十年出現(xiàn)了兩種計(jì)算機(jī)模擬模式：一種是由吸積盤主導(dǎo)的模型，另一種是磁場主導(dǎo)的模型。
最初，在80年代，研究人員在模擬中對(duì)吸積盤進(jìn)行了少量磁化。在這些模型中（后來被稱為SANE），等離子體圍繞著黑洞旋轉(zhuǎn)，微弱的、隨機(jī)方向的、波動(dòng)的磁場線也隨之旋轉(zhuǎn)。該場的湍流導(dǎo)致粒子碰撞并失去能量和角動(dòng)量，使它們落入黑洞，而不是僅僅圍繞黑洞旋轉(zhuǎn)。當(dāng)?shù)入x子體落進(jìn)去時(shí)，它會(huì)向黑洞中傳輸微弱的磁場線。磁場線逐漸在它上面積累，并由于等離子體的涌入而保持在那里。最終，黑洞扭曲了這個(gè)混亂的磁場，足以噴射出一些物質(zhì)。

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

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然后在20世紀(jì)90年代末，哈佛大學(xué)的拉梅什·納拉揚(yáng)（Ramesh Narayan）等研究人員開始提高模擬黑洞周圍的磁場強(qiáng)度，只是為了看看會(huì)發(fā)生什么。這些物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，當(dāng)磁場足夠強(qiáng)時(shí)，它會(huì)變得連貫而不是混亂，并且它控制著吸積盤。磁場線在黑洞周圍形成一個(gè)力場，充當(dāng)噴流的套筒，同時(shí)也防止等離子體落入黑洞。物質(zhì)有時(shí)會(huì)找到一個(gè)開口，突然地穿過磁障，滑入深淵。但在大多數(shù)情況下，吸積盤是鎖定的。這些模擬被稱為“磁阻吸積盤”或MAD模型。
“很長一段時(shí)間以來，人們認(rèn)為SANE場景更自然，”普林斯頓大學(xué)的物理學(xué)家安德魯·查爾說，他是EHT團(tuán)隊(duì)的一員，專門研究MAD模型。五年前，幾乎所有人都在做SANE模擬。
但是事件視界望遠(yuǎn)鏡拍攝到的來自M87黑洞周圍的偏振光的新圖像堅(jiān)定地指向MAD方向。偏振光在一個(gè)平面上振動(dòng)。照片中的螺旋圖案表明，當(dāng)你觀察光環(huán)周圍不同的地方時(shí)，光的振動(dòng)平面會(huì)旋轉(zhuǎn)，正如所預(yù)期的那樣，輻射光的粒子圍繞著磁場線旋轉(zhuǎn)，而磁場線本身就有一個(gè)連貫的螺旋圖案。
直接路徑要了解M87黑洞（以及其他可能存在噴流的超大質(zhì)量黑洞）周圍奇怪的強(qiáng)磁場的起源，專家們必須首先破解條紋偏振模式的密碼。科學(xué)家正努力通過逆向工程來推斷該場是什么樣子。
與此同時(shí)，其他研究人員已經(jīng)開始縮小MAD的范圍，他們正在模擬黑洞周圍更大的區(qū)域，以研究恒星如何產(chǎn)生遷移到黑洞中心的磁場。在未來幾年內(nèi)，將這種磁場與更大的尺度聯(lián)系起來將是一件非常重要的事情。
【 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】采用相反的方法，三位年輕的研究人員正在放大噴射出的帶電粒子。詳細(xì)的粒子級(jí)模擬需要數(shù)百萬小時(shí)，研究這些粒子對(duì)于計(jì)算出噴流的整體結(jié)構(gòu)以及它們對(duì)所穿透的星系和星系間空間的影響可能是必要的。以M87黑洞的噴射為例，我們?cè)谔炜罩锌梢院芮宄乜吹剿袝r(shí)會(huì)打結(jié)，有時(shí)它是連續(xù)的，但它非常的直而薄。理解這一點(diǎn)肯定會(huì)幫助我們理解它是如何與星系和星系間的介質(zhì)相互作用的，例如，它是如何向星系傳遞能量的。它們中的一些就像天空中的線條。大自然能造出這些結(jié)構(gòu)，真是令人驚訝。