近期，由中國科學(xué)院上海天文臺袁峰研究員帶領(lǐng)的國際團(tuán)隊以M87星系中心超大質(zhì)量黑洞的噴流為研究對象，對目前主要的兩種黑洞噴流模型的正確性進(jìn)行了研究。他們通過計算兩種模型預(yù)言的輻射并與觀測進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)通過磁場提取黑洞轉(zhuǎn)動能的模型所預(yù)言的噴流與實(shí)際觀測結(jié)果非常一致，而另一個通過磁場提取黑洞吸積盤轉(zhuǎn)動能的模型則難以解釋觀測結(jié)果。研究團(tuán)隊還進(jìn)一步分析了黑洞噴流中產(chǎn)生“磁重聯(lián)”的物理機(jī)制，發(fā)現(xiàn)這是由于M87黑洞吸積盤中磁場會產(chǎn)生“磁爆發(fā)”，該爆發(fā)能夠?qū)Υ艌霎a(chǎn)生強(qiáng)擾動，該擾動能夠傳播很遠(yuǎn)的距離，導(dǎo)致噴流中的磁重聯(lián)。相關(guān)研究結(jié)果以“Modeling the inner part of the jet in M87: confronting jet morphology with theory”為題，于北京時間2024年3月23日發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）上。

黑洞是宇宙中非常奇特的天體，具有超強(qiáng)的引力，以至于在黑洞半徑內(nèi)連光都無法逃脫它的引力束縛。然而，100多年前天文學(xué)家通過觀測發(fā)現(xiàn)，就在黑洞半徑之外距離很近的地方，黑洞卻能以接近光速的速度向外噴射出包含物質(zhì)和能量的強(qiáng)大外流——噴流。望遠(yuǎn)鏡拍到的圖片顯示，噴流就像一束激光一樣筆直地向外噴射到很遠(yuǎn)的距離，有些噴流的長度甚至可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過星系的尺度。

神秘的噴流是如何形成的？這個問題已有100余年的研究歷史，包括諾貝爾物理獎獲得者彭羅斯在內(nèi)的很多學(xué)者都對此進(jìn)行過研究。目前在該研究領(lǐng)域，主要有兩個模型，一是通過大尺度磁場提取黑洞的轉(zhuǎn)動能，即“提取黑洞轉(zhuǎn)動能”模型；第二個模型也需要大尺度磁場，但與第一個模型不同，磁場提取的是吸積盤的轉(zhuǎn)動能，即“提取吸積盤轉(zhuǎn)動能”模型。

不管是哪個模型，天文學(xué)家們試圖解決的都只是噴流的能量來源問題。但是，這兩種模型產(chǎn)生的噴流能否與對噴流的形態(tài)、寬度、速度場、偏振等的觀測結(jié)果一致？另外一個重要問題是，上述兩個噴流形成機(jī)制的模型，哪一個是正確的？中國科學(xué)院上海天文臺袁峰研究員領(lǐng)導(dǎo)的國際合作團(tuán)隊針對這兩個問題進(jìn)行了研究。他們發(fā)現(xiàn)，通過磁場提取黑洞轉(zhuǎn)動能的模型所預(yù)言的噴流與觀測結(jié)果非常一致，而另一個模型則難以解釋觀測結(jié)果。

該團(tuán)隊是以M87星系中心超大質(zhì)量黑洞的噴流為例具體進(jìn)行研究。M87星系中心超大質(zhì)量黑洞就是“事件視界望遠(yuǎn)鏡”（EHT）拍攝的人類第一張黑洞照片的“明星黑洞”。首先，研究團(tuán)隊利用大規(guī)模數(shù)值模擬方法求解廣義相對論磁流體力學(xué)方程組，得到了黑洞吸積流、以及上述兩種機(jī)制產(chǎn)生的噴流。要計算噴流的輻射，并進(jìn)而與觀測進(jìn)行對比，獲得輻射電子的能譜和空間分布是關(guān)鍵。研究團(tuán)隊假設(shè)電子加速是通過噴流中的“磁重聯(lián)”機(jī)制進(jìn)行的。在這一假設(shè)下，他們考慮了磁重聯(lián)加速電子的物理機(jī)制，并結(jié)合了利用動理論進(jìn)行的粒子加速研究結(jié)果，通過求解一個穩(wěn)態(tài)的電子能量分布方程，得到了噴流中不同空間的電子的能譜和數(shù)密度。有了這一信息，加上黑洞吸積數(shù)值模擬得到的磁場強(qiáng)度、氣體等離子體溫度、速度等結(jié)果，就可以在廣義相對論框架下計算噴流中的輻射轉(zhuǎn)移，得到各種預(yù)言的觀測結(jié)果，從而與真正的觀測結(jié)果進(jìn)行對比（圖1）。研究結(jié)果顯示，“提取黑洞轉(zhuǎn)動能”模型預(yù)言的噴流形態(tài)與實(shí)際觀測到的噴流形態(tài)的符合得非常好。更多詳細(xì)的分析表明，該模型預(yù)言的其他結(jié)果，如噴流的“邊緣變亮”、噴流寬度、長度、速度場等，也都與觀測符合得很好。而“提取吸積盤轉(zhuǎn)動能”模型的預(yù)言則與觀測不一致。

圖1，展示了“提取黑洞轉(zhuǎn)動能”模型預(yù)言的噴流形態(tài)與實(shí)際觀測到的噴流形態(tài)的對比。從圖中可見理論預(yù)言與觀測符合得非常好。更多詳細(xì)的分析表明，該模型預(yù)言的其他結(jié)果，如噴流的“邊緣變亮”、噴流寬度、長度、速度場等，也都與觀測符合得很好。而“提取吸積盤轉(zhuǎn)動能”模型的預(yù)言則與觀測不一致。

除此之外，研究團(tuán)隊還進(jìn)一步分析了磁重聯(lián)產(chǎn)生的物理機(jī)制，發(fā)現(xiàn)這是由于M87黑洞吸積盤中磁場會產(chǎn)生“磁爆發(fā)”，該爆發(fā)能夠?qū)Υ艌霎a(chǎn)生強(qiáng)擾動，該擾動能夠傳播很遠(yuǎn)的距離，導(dǎo)致噴流中的磁重聯(lián)。

袁峰研究員表示：“這一工作在噴流形成的動力學(xué)模型與望遠(yuǎn)鏡觀測到的噴流的各種性質(zhì)之間架起了一座橋梁，首次證明了這一著名的動力學(xué)模型不但能解決噴流的能源問題，還能解釋其他各種噴流的觀測結(jié)果。這為我們下一步理解黑洞附近更多的未解之謎提供了突破口?！?/span>

中國科學(xué)院上海天文臺原博士生、現(xiàn)在李政道研究所做博士后的楊海博士是文章第一作者，中國科學(xué)院上海天文臺研究員、現(xiàn)在復(fù)旦大學(xué)物理系天文與天體物理中心任職的袁峰教授是論文的通訊作者。該工作得到了國家基金委的資助，數(shù)值模擬是在上海交通大學(xué)李政道研究所、以及中國科學(xué)院上海天文臺的超級計算機(jī)上進(jìn)行的。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adn3544

科學(xué)聯(lián)系人：

袁峰，復(fù)旦大學(xué)物理系天文與天體物理中心，fyuan@fudan.edu.cn

楊海，上海交通大學(xué)李政道研究所，hai-yang@sjtu.edu.cn