黑洞最新照片来了：只多了炫酷光纹，却让物理学家解开喷流大谜题

明敏 2021-06-12 15:00:37 来源：量子位

明敏 发自 凹非寺
量子位 报道 | 公众号 QbitAI

提到黑洞，我们第一想到的肯定是光都无法逃逸的特性。

所以黑洞真的只是个洞？

答案可没这么简单。

此前科学家们就发现，黑洞在用强大引力吞噬万物的同时，还会发射出一股能量非常高的等离子喷流，也就是黑洞喷流。

以M87星系黑洞为例，这些喷流能够从黑洞中心向外延伸至少5000光年，速度接近光速。

这可就令人头大了。

科学家们好不容易弄清楚为什么黑洞连光都能捕获，结果它自己还喷东西出来？

不过这个宇宙难题，在最近传来了好消息。

事件视界望远镜（EHT）公布了一张偏振光下的黑洞图像，为研究黑洞喷流提供了有力证据。

这一次的照片为研究黑洞提供了一个全新的视角。

科学家们合成了M87星系黑洞在偏振光下的图像。

与2019年公布的第一张黑洞照片不同的是，偏振光下的黑洞有了一圈炫酷的螺旋光纹。

科学家们介绍，这些螺旋光纹是由黑洞周围的强磁场造成的。

而这一结果为已经流行了44年的黑洞喷流原理——布兰德福–日纳杰过程（Blandford–Znajek process）提供了强有力的证据。

旋转上升、逃离黑洞

不过，为什么看到了一圈黑洞周围的光纹，就能验证黑洞喷流原理了呢？

想要知道其中的关系，我们要先来弄清楚黑洞喷流到底是什么。

早在1918年，科学家希伯·柯蒂斯（Heber Curtis）就观测到了M87星系黑洞的喷流，他将其描述为“一道非常奇怪的直射光”从一片模糊的光斑中心射出。

但在当时，科学家并不知道这道光是来自黑洞的。

大家都在困惑：为什么发射这道直射光的光斑来自于一个星系的两侧？

△天鹅座A星系中出现的喷流产生了巨大的星际斑块

罗杰·布兰福德（Roger Blandford）和罗马·日纳杰（Roman Znajek）猜测这或许和黑洞有关。

后来物理学家也证明，黑洞是一个星系的“锚”，这些斑块是星系中心的一个大黑洞向相反方向射出的喷流产生的。

在数学家罗伊·克尔（Roy Kerr）计算出黑洞自旋方程、罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）证明黑洞自旋可减速并将所产生的能量转化为其他东西的基础上，1977年他们正式提出了布兰德福–日纳杰过程。

△罗杰·布兰福德（左）和罗马·日纳杰（右）

首先，他们明确黑洞可以吸引大量的星际气体在其周围，这些气体会在随着黑洞旋转时，形成一个“吸积盘”。

与此同时，气体也被加热到了非常高的温度。

这会导致气体中的电子丧失，变成一个携带磁场的等离子体。

布兰福德和日纳杰认为，黑洞的自旋会把吸积盘产生的磁场扭曲成一种螺旋形态。

当磁场发生运动时，就会产生一个强大的电压。这个电压会把能量从黑洞中沿着螺旋线向上、向外吸引，从而形成了喷流。

上世纪80年代开始，科学家们开始尝试在计算机上模拟这个过程。

起初，研究人员只是将吸积盘稍微磁化，得到了SANE模型。

在这个模型中，等离子体绕着黑洞旋转时就像水流向排水口一样，是非常无力的，而且方向随机。

这会导致粒子发生相互碰撞后，失去能量和角动能落入黑洞。

随着落入黑洞的粒子越来越多，黑洞周围就形成了一个磁场，并且黑洞自旋会把这个磁场扭曲成一种螺旋形态，然后产生喷流。

到了20世纪90年代末，哈佛大学的拉梅什·纳拉扬（Ramesh Narayan）等研究人员开始试着提高模型中黑洞周围的磁场强度。

他们发现，当磁场足够强时，等离子体就会变得非常有序，并且能够控制吸积盘、而不是被它控制。

磁场线能够在黑洞周围形成一个力场，作为喷流的套筒，这也可以防止等离子体落入黑洞中。

这就是MAD模型。

很长时间以来，人们都认为SANE模型更合理。

但现在的观测结果表明，黑洞附近的磁场非常强、而且磁场线非常有序，这显然与MAD模型更加贴近。

继续前进

为了进一步探索M87星系黑洞周围的强磁场，科学家们必须要先破解螺旋磁场线的“密码”。

目前他们正试图逆向推导出磁场的形态。

与此同时，也有研究人员在模拟黑洞周围更大的区域，以研究恒星是如何产生中心磁场的。

此外，他们还提出了一些疑问：

比如，喷流是如何发光的？

它每秒钟就能产生大约3万亿兆焦耳的能量，如此小的粒子是怎么做到的？

这也让布兰福德不禁感叹：“大自然能够构造出这些东西，实在是令人惊讶。”

参考链接：
[1]https://www.quantamagazine.org/physicists-identify-the-engine-powering-black-hole-energy-beams-20210520/
[2]https://eventhorizontelescope.org/blog/astronomers-image-magnetic-fields-edge-m87s-black-hole