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黑洞喷流建模:天文学家发现黑洞喷流的辐射机制

发布:HPLlaser阅读:145时间:2024-3-28 09:54:40

近期,由中国科学院上海天文台袁峰研究员带领的国际团队以M87星系中心超大质量黑洞的喷流为研究对象,对目前主要的两种黑洞喷流模型的正确性进行了研究。他们通过计算两种模型预言的辐射并与观测进行对比,发现通过磁场提取黑洞转动能的模型所预言的喷流与实际观测结果非常一致,而另一个通过磁场提取黑洞吸积盘转动能的模型则难以解释观测结果。研究团队还进一步分析了黑洞喷流中产生“磁重联”的物理机制,发现这是由于M87黑洞吸积盘中磁场会产生“磁爆发”,该爆发能够对磁场产生强扰动,该扰动能够传播很远的距离,导致喷流中的磁重联。相关研究结果以“Modeling the inner part of the jet in M87: confronting jet morphology with theory”为题,于北京时间2024年3月23日发表在《科学进展》(Science Advances)上。

黑洞是宇宙中非常奇特的天体,具有超强的引力,以至于在黑洞半径内连光都无法逃脱它的引力束缚。然而,100多年前天文学家通过观测发现,就在黑洞半径之外距离很近的地方,黑洞却能以接近光速的速度向外喷射出包含物质和能量的强大外流——喷流。望远镜拍到的图片显示,喷流就像一束激光一样笔直地向外喷射到很远的距离,有些喷流的长度甚至可以远远超过星系的尺度。

神秘的喷流是如何形成的?这个问题已有100余年的研究历史,包括诺贝尔物理奖获得者彭罗斯在内的很多学者都对此进行过研究。目前在该研究领域,主要有两个模型,一是通过大尺度磁场提取黑洞的转动能,即“提取黑洞转动能”模型;第二个模型也需要大尺度磁场,但与第一个模型不同,磁场提取的是吸积盘的转动能,即“提取吸积盘转动能”模型。

不管是哪个模型,天文学家们试图解决的都只是喷流的能量来源问题。但是,这两种模型产生的喷流能否与对喷流的形态、宽度、速度场、偏振等的观测结果一致?另外一个重要问题是,上述两个喷流形成机制的模型,哪一个是正确的?中国科学院上海天文台袁峰研究员领导的国际合作团队针对这两个问题进行了研究。他们发现,通过磁场提取黑洞转动能的模型所预言的喷流与观测结果非常一致,而另一个模型则难以解释观测结果。

该团队是以M87星系中心超大质量黑洞的喷流为例具体进行研究。M87星系中心超大质量黑洞就是“事件视界望远镜”(EHT)拍摄的人类第一张黑洞照片的“明星黑洞”。首先,研究团队利用大规模数值模拟方法求解广义相对论磁流体力学方程组,得到了黑洞吸积流、以及上述两种机制产生的喷流。要计算喷流的辐射,并进而与观测进行对比,获得辐射电子的能谱和空间分布是关键。研究团队假设电子加速是通过喷流中的“磁重联”机制进行的。在这一假设下,他们考虑了磁重联加速电子的物理机制,并结合了利用动理论进行的粒子加速研究结果,通过求解一个稳态的电子能量分布方程,得到了喷流中不同空间的电子的能谱和数密度。有了这一信息,加上黑洞吸积数值模拟得到的磁场强度、气体等离子体温度、速度等结果,就可以在广义相对论框架下计算喷流中的辐射转移,得到各种预言的观测结果,从而与真正的观测结果进行对比(图1)。研究结果显示,“提取黑洞转动能”模型预言的喷流形态与实际观测到的喷流形态的符合得非常好。更多详细的分析表明,该模型预言的其他结果,如喷流的“边缘变亮”、喷流宽度、长度、速度场等,也都与观测符合得很好。而“提取吸积盘转动能”模型的预言则与观测不一致。

除此之外,研究团队还进一步分析了磁重联产生的物理机制,发现这是由于M87黑洞吸积盘中磁场会产生“磁爆发”,该爆发能够对磁场产生强扰动,该扰动能够传播很远的距离,导致喷流中的磁重联。

袁峰研究员表示:“这一工作在喷流形成的动力学模型与望远镜观测到的喷流的各种性质之间架起了一座桥梁,首次证明了这一著名的动力学模型不但能解决喷流的能源问题,还能解释其他各种喷流的观测结果。这为我们下一步理解黑洞附近更多的未解之谜提供了突破口。”

中国科学院上海天文台原博士生、现在李政道研究所做博士后的杨海博士是文章第一作者,中国科学院上海天文台研究员、现在复旦大学物理系天文与天体物理中心任职的袁峰教授是论文的通讯作者。该工作得到了国家基金委的资助,数值模拟是在上海交通大学李政道研究所、以及中国科学院上海天文台的超级计算机上进行的。

图1,展示了“提取黑洞转动能”模型预言的喷流形态与实际观测到的喷流形态的对比。从图中可见理论预言与观测符合得非常好。更多详细的分析表明,该模型预言的其他结果,如喷流的“边缘变亮”、喷流宽度、长度、速度场等,也都与观测符合得很好。而“提取吸积盘转动能”模型的预言则与观测不一致。

来源:上海天文台

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