黑洞最新照片來了：只多了炫酷光紋，卻讓物理學家解開噴流大謎題

明敏 2021-06-12 15:00:37 來源：量子位

明敏 發自 凹非寺
量子位 報道 | 公眾號 QbitAI

提到黑洞，我們第一想到的肯定是光都無法逃逸的特性。

所以黑洞真的只是個洞？

答案可沒這么簡單。

此前科學家們就發現，黑洞在用強大引力吞噬萬物的同時，還會發射出一股能量非常高的等離子噴流，也就是黑洞噴流。

以M87星系黑洞為例，這些噴流能夠從黑洞中心向外延伸至少5000光年，速度接近光速。

這可就令人頭大了。

科學家們好不容易弄清楚為什么黑洞連光都能捕獲，結果它自己還噴東西出來？

不過這個宇宙難題，在最近傳來了好消息。

事件視界望遠鏡（EHT）公布了一張偏振光下的黑洞圖像，為研究黑洞噴流提供了有力證據。

這一次的照片為研究黑洞提供了一個全新的視角。

科學家們合成了M87星系黑洞在偏振光下的圖像。

與2019年公布的第一張黑洞照片不同的是，偏振光下的黑洞有了一圈炫酷的螺旋光紋。

科學家們介紹，這些螺旋光紋是由黑洞周圍的強磁場造成的。

而這一結果為已經流行了44年的黑洞噴流原理——布蘭德福–日納杰過程（Blandford–Znajek process）提供了強有力的證據。

旋轉上升、逃離黑洞

不過，為什么看到了一圈黑洞周圍的光紋，就能驗證黑洞噴流原理了呢？

想要知道其中的關系，我們要先來弄清楚黑洞噴流到底是什么。

早在1918年，科學家希伯·柯蒂斯（Heber Curtis）就觀測到了M87星系黑洞的噴流，他將其描述為“一道非常奇怪的直射光”從一片模糊的光斑中心射出。

但在當時，科學家并不知道這道光是來自黑洞的。

大家都在困惑：為什么發射這道直射光的光斑來自于一個星系的兩側？

△天鵝座A星系中出現的噴流產生了巨大的星際斑塊

羅杰·布蘭福德（Roger Blandford）和羅馬·日納杰（Roman Znajek）猜測這或許和黑洞有關。

后來物理學家也證明，黑洞是一個星系的“錨”，這些斑塊是星系中心的一個大黑洞向相反方向射出的噴流產生的。

在數學家羅伊·克爾（Roy Kerr）計算出黑洞自旋方程、羅杰·彭羅斯（Roger Penrose）證明黑洞自旋可減速并將所產生的能量轉化為其他東西的基礎上，1977年他們正式提出了布蘭德福–日納杰過程。

△羅杰·布蘭福德（左）和羅馬·日納杰（右）

首先，他們明確黑洞可以吸引大量的星際氣體在其周圍，這些氣體會在隨著黑洞旋轉時，形成一個“吸積盤”。

與此同時，氣體也被加熱到了非常高的溫度。

這會導致氣體中的電子喪失，變成一個攜帶磁場的等離子體。

布蘭福德和日納杰認為，黑洞的自旋會把吸積盤產生的磁場扭曲成一種螺旋形態。

當磁場發生運動時，就會產生一個強大的電壓。這個電壓會把能量從黑洞中沿著螺旋線向上、向外吸引，從而形成了噴流。

上世紀80年代開始，科學家們開始嘗試在計算機上模擬這個過程。

起初，研究人員只是將吸積盤稍微磁化，得到了SANE模型。

在這個模型中，等離子體繞著黑洞旋轉時就像水流向排水口一樣，是非常無力的，而且方向隨機。

這會導致粒子發生相互碰撞后，失去能量和角動能落入黑洞。

隨著落入黑洞的粒子越來越多，黑洞周圍就形成了一個磁場，并且黑洞自旋會把這個磁場扭曲成一種螺旋形態，然后產生噴流。

到了20世紀90年代末，哈佛大學的拉梅什·納拉揚（Ramesh Narayan）等研究人員開始試著提高模型中黑洞周圍的磁場強度。

他們發現，當磁場足夠強時，等離子體就會變得非常有序，并且能夠控制吸積盤、而不是被它控制。

磁場線能夠在黑洞周圍形成一個力場，作為噴流的套筒，這也可以防止等離子體落入黑洞中。

這就是MAD模型。

很長時間以來，人們都認為SANE模型更合理。

但現在的觀測結果表明，黑洞附近的磁場非常強、而且磁場線非常有序，這顯然與MAD模型更加貼近。

繼續前進

為了進一步探索M87星系黑洞周圍的強磁場，科學家們必須要先破解螺旋磁場線的“密碼”。

目前他們正試圖逆向推導出磁場的形態。

與此同時，也有研究人員在模擬黑洞周圍更大的區域，以研究恒星是如何產生中心磁場的。

此外，他們還提出了一些疑問：

比如，噴流是如何發光的？

它每秒鐘就能產生大約3萬億兆焦耳的能量，如此小的粒子是怎么做到的？

這也讓布蘭福德不禁感嘆：“大自然能夠構造出這些東西，實在是令人驚訝。”

參考鏈接：
[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