Flatiron研究所的研究人員和他們的合作者發(fā)現(xiàn)，事件視界附近的磁場線斷裂和重新連接會從黑洞的磁場中釋放能量，加速產(chǎn)生強烈耀斑的粒子。 這些發(fā)現(xiàn)暗示了黑洞觀測中令人興奮的新可能性。
黑洞并不總是在黑暗中。天文學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了從超大質(zhì)量黑洞的事件視界外照射出來的強烈光照，包括我們銀河系核心的那個黑洞。然而，除了懷疑有磁場的參與之外，科學(xué)家們無法確定這些耀斑的原因。
通過采用功率和分辨率都無與倫比的計算機模擬，物理學(xué)家說他們已經(jīng)解開了這個謎團。研究人員在《天體物理學(xué)報》上報告說，在黑洞的事件視界附近，磁場線重新連接時釋放的能量為耀斑提供了動力。
新的模擬顯示，磁場和落入黑洞口的物質(zhì)之間的相互作用導(dǎo)致磁場壓縮、變平、斷裂和重新連接。這一過程最終利用磁能將熱的等離子體粒子以接近光速的速度彈射到黑洞中或射向太空。這些粒子然后可以直接以光子的形式輻射掉它們的一些動能，并給附近的光子以能量提升。這些高能量的光子構(gòu)成了神秘的黑洞耀斑。
在這個模型中，先前墜落的物質(zhì)盤在耀斑期間被拋出，清除了事件視界周圍的區(qū)域。這種整理可以為天文學(xué)家提供一個不受阻礙的視野，讓他們看到事件視界外發(fā)生的通常被遮蔽的過程。
“事件視界附近的磁場線重新連接的基本過程可以利用黑洞磁層的磁能，為快速和明亮的耀斑提供動力，”研究報告的共同牽頭人Bart Ripperda說，他是紐約市Flatiron研究所計算天體物理學(xué)中心(CCA)和普林斯頓大學(xué)的聯(lián)合博士后研究員。“這確實是我們連接等離子體物理學(xué)和天體物理學(xué)的地方。”
Ripperda與CCA副研究員Alexander Philippov、哈佛大學(xué)科學(xué)家Matthew Liska和Koushik Chatterjee、阿姆斯特丹大學(xué)科學(xué)家Gibwa Musoke和Sera Markoff、西北大學(xué)科學(xué)家Alexander Tchekhovskoy以及倫敦大學(xué)學(xué)院科學(xué)家Ziri Younsi共同撰寫了這項新研究。
黑洞，正如它的名字一樣，是不發(fā)光的。所以耀斑必須來自黑洞的事件視界之外--黑洞的引力變得如此強大，甚至連光都無法逃脫的邊界。圍繞黑洞的軌道和下墜物質(zhì)以吸積盤的形式存在，就像M87星系中發(fā)現(xiàn)的巨大黑洞周圍的吸積盤。這些物質(zhì)向黑洞赤道附近的事件穹頂層層遞進。在其中一些黑洞的南北兩極，粒子噴流以近乎光速的速度射向太空。
由于涉及到物理學(xué)，識別黑洞解剖學(xué)中耀斑形成的位置是非常困難的。黑洞會彎曲時間和空間，并被強大的磁場、輻射場和湍流等離子體--物質(zhì)熱到電子從其原子中分離出來。即使有強大的計算機的幫助，以前的努力也只能在太低的分辨率下模擬黑洞系統(tǒng)，無法看到為耀斑提供動力的機制。
Ripperda和他的同事們?nèi)σ愿暗靥岣吡怂麄兡M的細節(jié)水平。他們使用了三臺超級計算機的計算時間--田納西州橡樹嶺國家實驗室的Summit超級計算機，得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的Longhorn超級計算機，以及位于加州大學(xué)圣迭戈分校的Flatiron研究所的Popeye超級計算機。所有這些計算能力的結(jié)果是迄今為止對黑洞周圍環(huán)境的最高分辨率模擬，其分辨率是以前努力的1000多倍。
分辨率的提高使研究人員對導(dǎo)致黑洞耀斑的機制有了一個前所未有的了解。這個過程以黑洞的磁場為中心，它的磁場線從黑洞的事件視界涌出，形成噴流并連接到吸積盤。以前的模擬顯示，流入黑洞赤道的物質(zhì)將磁場線拖向事件視界。被拖動的磁場線在事件視界附近開始堆積，最終推回并阻擋流入的物質(zhì)。
憑借其特殊的分辨率，新的模擬首次捕捉到了流動物質(zhì)和黑洞噴流之間的磁場是如何加強的，擠壓并壓平了赤道場線。這些場線現(xiàn)在交替地指向黑洞或遠離它。當兩條指向相反方向的線相遇時，它們會斷裂、重新連接和糾纏。在連接點之間，在磁場中形成一個“口袋”。這些“口袋”里充滿了熱的等離子體，這些等離子體要么落入黑洞，要么以巨大的速度被加速送入太空，這要歸功于噴流中從磁場中獲取的能量。
“如果沒有我們模擬的高分辨率，你就無法捕捉到亞動力學(xué)和亞結(jié)構(gòu)，”Ripperda說。“在低分辨率的模型中，重聯(lián)不會發(fā)生，所以沒有任何機制可以加速粒子。”
被彈射的物質(zhì)中的等離子體粒子立即以光子的形式將一些能量輻射出去。等離子體粒子可以進一步浸入所需的能量范圍，給附近的光子以能量提升。這些光子，無論是路人還是最初由發(fā)射的等離子體產(chǎn)生的光子，都構(gòu)成了能量最大的耀斑。這些物質(zhì)本身最終會變成一個在黑洞附近運行的“熱球”。在銀河系的超大質(zhì)量黑洞附近已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了這樣一個圓球。Ripperda說：“為這樣一個熱點提供動力的磁重聯(lián)是解釋這一觀測結(jié)果的證據(jù)。”
研究人員還觀察到，在黑洞爆發(fā)了一段時間后，磁場能量減弱，系統(tǒng)復(fù)位。然后，隨著時間的推移，這個過程又重新開始。這種周期性機制解釋了為什么黑洞會按照固定的時間表發(fā)射耀斑，從每天(對于我們銀河系的超大質(zhì)量黑洞)到每隔幾年(對于M87和其他黑洞)。
Ripperda認為，最近發(fā)射的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的觀測與事件視界望遠鏡的觀測相結(jié)合，可以確認新模擬中看到的過程是否正在發(fā)生，以及它是否會改變黑洞陰影的圖像。“我們將不得不看，”Ripperda說。現(xiàn)在，他和他的同事們正在努力改進他們的模擬，使之更加詳細。
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本文標題：超大質(zhì)量黑洞耀斑的起源被確認：事件視界附近的磁“重聯(lián)”
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