黑洞，這些強大到無以復(fù)加的光和物質(zhì)的吞食者，也以無與倫比的威力和效率向外噴射光和物質(zhì)。它們?yōu)榈入x子體束提供能量，這些等離子體束向太空延伸數(shù)千光年，形成了貫穿整個宇宙的發(fā)光射線。物理學(xué)家們已經(jīng)知道為什么會有東西會進入黑洞中，因為黑洞有如此大的引力，以至于光都無法從它們身邊穿過。但是為什么會有噴射物從黑洞的邊緣噴射出來呢？這是非常難以理解的。宇宙中最大的謎團之一是黑洞如何發(fā)射出噴流物，”荷蘭內(nèi)梅亨大學(xué)的天體物理學(xué)家薩拉·伊紹恩（Sara Issaoun）)說。  第二張黑洞照片 第一張黑洞照片現(xiàn)在，伊紹恩已經(jīng)開始解開這個謎題。幾周前，黑洞事件視界望遠鏡（EHT）發(fā)布了它的第二張黑洞照片。這兩張圖片都顯示了M87星系中心超大質(zhì)量黑洞周圍發(fā)光的等離子體。與第一張照片不同的是，新照片中的光環(huán)有條紋，這表明光是強偏振的。專家們說，條紋的螺旋模式是由M87黑洞周圍的一個強而有序的磁場造成的，這代表了第一個重要的經(jīng)驗證據(jù)，支持一個已有44年歷史的噴射理論，即布蘭福德-茲納杰克過程（ Blandford-Znajek process）。1977年，劍橋大學(xué)的年輕物理學(xué)家羅杰·布蘭福德和羅曼·茲納杰克認為，旋轉(zhuǎn)的超大質(zhì)量黑洞把周圍的磁場扭曲成一個緊密的螺旋線，這種扭曲將產(chǎn)生一種電壓，將能量吸出黑洞并沿螺旋線旋轉(zhuǎn)。他們聲稱，這就是噴流。當時，這一過程是推測性的，但新的觀察證實了布蘭福德-茲納杰克的觀點。此外，新的觀測指向了布蘭福德-茲納杰克過程的兩種情況之一（MAD和SANE），這兩種情況在最近幾十年里被計算機模擬了成百上千次。這些相互矛盾的觀點對黑洞的環(huán)境，特別是其磁場的起源和強度，描繪了截然相反的景象。長期以來，基于較弱磁場的理性模型被認為更為可信。但是事件視界望遠鏡的新照片中的強偏振光指向了強磁場，因此是MAD版本的事件?？屏_拉多大學(xué)的理論天體物理學(xué)家亞歷山大·陳說，新的圖像似乎非常支持MAD模型。關(guān)于黑洞噴流和它們在宇宙中的角色，還有更多需要弄清楚的地方。關(guān)于MAD場景的幾個要素，人們的看法各不相同，MAD留下了許多懸而未決的問題，研究人員正在下一代模擬中探索這些問題。M87中的黑洞和我們的太陽系差不多大，但它卻產(chǎn)生了5000光年長的白熱等離子體流。每秒鐘大約有3萬萬萬億焦耳的能量流噴射出來——比人類在10年里燃燒掉的能量的總和還要多500萬億倍。螺旋M87黑洞的噴射流有史以來第一次被發(fā)現(xiàn)。1918年，赫伯·柯蒂斯觀察到它：一束奇怪的直射線，從一片朦朧的光斑中心發(fā)出。 上世紀70年代，史蒂芬·霍金和羅杰·彭羅斯還是博士后和研究生的時候，他們就已經(jīng)在倫敦進行黑洞理論研究，這最終為彭羅斯贏得了2020年諾貝爾物理學(xué)獎。天文學(xué)家也開始認真對待黑洞，觀察表明，x射線源天鵝座X-1就是這樣一個物體。- 來自天鵝座A星系的噴流產(chǎn)生了大量的星際斑點，在無線電波中可見。
布蘭福德和茲納吉克的注意力集中在令人費解的過多的雙無線電源上——位于遙遠星系兩側(cè)的巨大、明亮的射電發(fā)射團。關(guān)于這些可能是什么有很多理論。布蘭福德和茲納杰克是早期得出正確答案的人：這些斑點是從星系中心的一個大黑洞向相反方向噴射出的噴流的末端噴出的。天體物理學(xué)家最終會證實，超大質(zhì)量黑洞確實能夠錨定星系，但在那個時候，布蘭福德和茲納杰克不僅在推測黑洞的存在，還在推測它們的噴射能力。數(shù)學(xué)家羅伊·克爾（Roy Kerr）在1963年解出了一個旋轉(zhuǎn)黑洞的方程，表明這個黑洞在轉(zhuǎn)動過程中（無法被看到），扭曲著周圍的時空結(jié)構(gòu)。然后羅杰·彭羅斯證明了旋轉(zhuǎn)的黑洞可以減速，在這樣的過程中，它們將自己的旋轉(zhuǎn)能量轉(zhuǎn)化為其他東西。布蘭福德和茲納杰克知道，星系中心的一個大黑洞，由于其巨大的引力，會吸引大量的星際氣體。氣體會落向黑洞，并圍繞黑洞旋轉(zhuǎn)，形成一個“吸積盤”。氣體會升溫，最終達到原子失去電子的溫度，產(chǎn)生帶有磁場的等離子體。- 羅杰·布蘭福德（上）和羅曼·茲納吉克（下）分別于1974年和1977年拍攝的照片，當時他們還是劍橋大學(xué)的研究員。
有了克爾的方程，布蘭福德和茲納杰克證明了當來自吸積盤的磁力線落在旋轉(zhuǎn)的黑洞上時，黑洞的旋轉(zhuǎn)把磁力線繞成一個沿黑洞旋轉(zhuǎn)軸方向的螺旋。運動中的磁場會產(chǎn)生電壓，所以一股電子和正電子的電流會開始通過螺旋，從黑洞的兩個方向流出。這就是噴射流。秩序與混亂80年代和90年代，隨著計算性能的提高，科學(xué)家模擬了布蘭福德-茲納杰克過程。但每一項——旋轉(zhuǎn)的黑洞、磁場、吸積盤中的光和物質(zhì)——都是可變的，沒有人知道正確的“配方”。21世紀頭十年出現(xiàn)了兩種計算機模擬模式：一種是由吸積盤主導(dǎo)的模型，另一種是磁場主導(dǎo)的模型。最初，在80年代，研究人員在模擬中對吸積盤進行了少量磁化。在這些模型中（后來被稱為SANE），等離子體圍繞著黑洞旋轉(zhuǎn)，微弱的、隨機方向的、波動的磁場線也隨之旋轉(zhuǎn)。該場的湍流導(dǎo)致粒子碰撞并失去能量和角動量，使它們落入黑洞，而不是僅僅圍繞黑洞旋轉(zhuǎn)。當?shù)入x子體落進去時，它會向黑洞中傳輸微弱的磁場線。磁場線逐漸在它上面積累，并由于等離子體的涌入而保持在那里。最終，黑洞扭曲了這個混亂的磁場，足以噴射出一些物質(zhì)。然后在20世紀90年代末，哈佛大學(xué)的拉梅什·納拉揚（Ramesh Narayan）等研究人員開始提高模擬黑洞周圍的磁場強度，只是為了看看會發(fā)生什么。這些物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，當磁場足夠強時，它會變得連貫而不是混亂，并且它控制著吸積盤。磁場線在黑洞周圍形成一個力場，充當噴流的套筒，同時也防止等離子體落入黑洞。物質(zhì)有時會找到一個開口，突然地穿過磁障，滑入深淵。但在大多數(shù)情況下，吸積盤是鎖定的。這些模擬被稱為“磁阻吸積盤”或MAD模型。“很長一段時間以來，人們認為SANE場景更自然，”普林斯頓大學(xué)的物理學(xué)家安德魯·查爾說，他是EHT團隊的一員，專門研究MAD模型。五年前，幾乎所有人都在做SANE模擬。但是事件視界望遠鏡拍攝到的來自M87黑洞周圍的偏振光的新圖像堅定地指向MAD方向。偏振光在一個平面上振動。照片中的螺旋圖案表明，當你觀察光環(huán)周圍不同的地方時，光的振動平面會旋轉(zhuǎn)，正如所預(yù)期的那樣，輻射光的粒子圍繞著磁場線旋轉(zhuǎn)，而磁場線本身就有一個連貫的螺旋圖案。直接路徑要了解M87黑洞（以及其他可能存在噴流的超大質(zhì)量黑洞）周圍奇怪的強磁場的起源，專家們必須首先破解條紋偏振模式的密碼?？茖W(xué)家正努力通過逆向工程來推斷該場是什么樣子。與此同時，其他研究人員已經(jīng)開始縮小MAD的范圍，他們正在模擬黑洞周圍更大的區(qū)域，以研究恒星如何產(chǎn)生遷移到黑洞中心的磁場。在未來幾年內(nèi)，將這種磁場與更大的尺度聯(lián)系起來將是一件非常重要的事情。采用相反的方法，三位年輕的研究人員正在放大噴射出的帶電粒子。詳細的粒子級模擬需要數(shù)百萬小時，研究這些粒子對于計算出噴流的整體結(jié)構(gòu)以及它們對所穿透的星系和星系間空間的影響可能是必要的。以M87黑洞的噴射為例，我們在天空中可以很清楚地看到它，有時會打結(jié)，有時它是連續(xù)的，但它非常的直而薄。理解這一點肯定會幫助我們理解它是如何與星系和星系間的介質(zhì)相互作用的，例如，它是如何向星系傳遞能量的。它們中的一些就像天空中的線條。大自然能造出這些結(jié)構(gòu)，真是令人驚訝。
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