神秘的黑洞喷流如何形成？研究取得重要突破！
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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神秘的包含物质和能量的强大外流——喷流。
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，一是从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。
然而，这里有两个问题。首先，无论是哪个模型，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？
原中国科学院上海天文台研究员、现在复旦大学天文与天体物理中心的袁峰教授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，获得喷流中相对论性高能电子的能谱和空间分布是关键。
研究团队假设电子的能量是通过喷流中的“磁重联”机制进行的。他们考虑了磁重联加速电子的物理机制，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。
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。
文章第一作者杨海：于2023年在上海天文台获得博士学位，现在李政道研究所进行博士后研究。
文章通讯作者袁峰：1997年在中国科学技术大学获得博士学位，之后分别在南京大学、德国马普射电天文研究所、美国哈佛大学和普渡大学进行博士后研究工作，2005年至2023年任中国科学院上海天文台研究员，2024年起任职复旦大学天文与天体物理中心教授。
本文由论文作者团队特邀供稿，文中观点仅为作者团队观点，不代表Science/AAAS立场。