科學家剛剛破解了一項百年黑洞之謎

德國法蘭克福歌德大學（Goethe University Frankfurt）的天文學家在研究超大質量黑洞 M87 時取得了突破性發現。
他們的研究成果剛剛發表于《天體物理學快報（The Astrophysical Journal Letters）》，挑戰了現有關于黑洞如何產生能量的理論。
通過模擬M87事件視界附近的物理過程，研究人員發現——磁重聯（magnetic reconnection） 在釋放黑洞巨大能量的過程中起著關鍵作用。

黑洞的神秘能量

近兩個世紀以來，科學家一直對超大質量黑洞所產生的強烈能量與高速噴流感到困惑，尤其是像M87這樣的黑洞。
M87*位于室女座星系團，是迄今觀測到的最龐大的黑洞之一，其質量約為太陽的65億倍。
它以噴射出接近光速的物質射流而聞名，這些射流橫跨數千光年。然而，長期以來，驅動這些強大噴流的具體機制一直是個謎。

過去的主流理論認為，黑洞能量來源于所謂的 “布蘭德福德–茲奈耶克機制”（Blandford–Znajek mechanism）——即黑洞周圍的磁場從其自轉中提取能量。
但最新研究顯示，磁重聯在這一過程中也扮演了重要角色。

所謂磁重聯，是指磁力線在高能環境中斷裂并重新連接的現象，這一過程會將磁能轉化為熱能、輻射能和粒子加速能量。
這一發現為理解黑洞附近相對論等離子體的行為提供了關鍵線索，也解釋了為何這些噴流能釋放出如此驚人的能量。

磁重聯的關鍵作用

研究團隊成員之一 菲利波·卡米洛尼博士（Dr. Filippo Camilloni） 指出：“我們的結果揭示了一個引人入勝的可能性：布蘭德福德–茲奈耶克機制并不是唯一能從黑洞中提取旋轉能量的天體物理過程，磁重聯同樣發揮作用。”

這一觀點具有革命性，因為它暗示黑洞噴流的能量可能并非由單一機制產生，而是多種過程協同作用的結果。
傳統觀點認為，布蘭德福德–茲奈耶克機制是主導因素，而如今磁重聯的加入，為黑洞能量釋放提供了更復雜也更真實的解釋。

研究團隊使用的計算機模擬技術在這項發現中起到了決定性作用。
主要模擬程序的開發者 梅林戈洛（Meringolo） 強調：“模擬這些過程對于理解緊致天體附近曲率時空中相對論等離子體的復雜動力學至關重要——因為這些區域由極端的引力與磁場相互作用主導。”

通過模擬黑洞周圍粒子與電磁場的動態，研究人員首次能在“實時”中觀察到磁重聯的發生，并揭示它如何助推噴流的形成。

模擬打開理解黑洞的新窗口

為進行這些高精度模擬，團隊開發了一種先進的計算工具——“黑洞時空粒子-網格模擬代碼”（Frankfurt Particle-in-Cell Code for Black Hole Spacetimes，FPIC）。
該工具可以精確模擬黑洞附近帶電粒子與極端電磁場的行為，這些行為同時受到黑洞強大引力與高速自轉的影響。

模擬結果揭示了高能“等離子泡”（plasmoids）的形成——這些由磁重聯產生的濃縮等離子團以接近光速運動，主要出現在黑洞赤道平面附近。

項目負責人 盧恰諾·雷佐拉教授（Dr. Luciano Rezzolla） 解釋道：“我們的研究展示了能量是如何高效地從旋轉黑洞中被提取出來，并被導入噴流之中的。
這有助于解釋活動星系核的極端亮度，以及粒子為何能被加速至接近光速。”

這些模擬所得的見解不僅有助于理解M87的動力學，也能解釋宇宙中其他活動星系核（AGN）所表現出的高能現象。

對天體物理學的更廣泛意義

這一發現的意義超越了黑洞研究本身。
理解黑洞如何產生噴流與釋放能量，將幫助科學家更好地理解它們在星系演化中的作用。
黑洞噴流能夠將能量和物質散布到宇宙空間，影響星系的形成與成長。

此外，這一研究也可能對理解其他極端天體——如中子星與磁星（magnetar）的高能物理過程帶來啟示。

研究團隊的模擬工作提供了迄今最精確的黑洞鄰域電磁與引力相互作用模型之一，為理解相對論等離子體的行為提供了寶貴資料。
隨著計算能力的不斷提升，這類模擬將使科學家得以不斷檢驗與完善黑洞理論，逐步揭開這些宇宙巨獸的更多秘密。