模擬黑洞周圍磁流，嘗試解開黑洞關鍵謎題

黑洞一直是引人入勝的研究對象，不僅因爲它們是宇宙中的“吸塵器”，還因爲它們是強大的能量引擎，能夠以驚人的規模提取和重新分配能量。這些巨大的黑暗天體周圍通常環繞着旋轉的氣體和塵埃盤，被稱爲吸積盤。

當這些吸積盤被強烈磁化時，它們就像銀河系中的發電站一樣，在一個被稱爲布蘭福德 - 日納傑克（BZ）效應的過程中從黑洞的自轉中提取能量。

雖然科學家們已經從理論上認爲BZ效應是能量提取過程中的主要機制，但仍有許多未知之處，例如是什麼決定了有多少能量被注入強大的噴流（沿黑洞兩極噴射出的強大粒子流和能量流），又有多少能量以熱能的形式耗散。

爲了回答這些問題，JILA（美國天體物理聯合實驗室）的博士後研究員普拉鬆·丹（Prasun Dhang）、JILA的研究員以及科羅拉多大學博爾德分校天體物理與行星科學教授米奇·貝格曼（Mitch Begelman）和賈森·德克斯特（Jason Dexter）藉助了先進的計算機模擬。通過對被薄且高度磁化的吸積盤環繞的黑洞進行建模，他們試圖揭示驅動這些神秘系統的潛在物理原理。

他們的研究成果發表在《天體物理學雜誌》上，爲黑洞周圍複雜的物理現象提供了重要的見解，並可能重新定義我們對黑洞在塑造星系過程中所起作用的理解。

德克斯特詳細解釋說：“人們早就知道，下落的氣體能夠從黑洞中提取自轉能量。”

“通常，我們認爲這對給噴流提供動力很重要。通過進行更精確的測量，普拉鬆表明，提取的能量比之前瞭解到的要多得多。這種能量可能會以光的形式輻射出去，或者可能導致氣體向外流動。不管是哪種情況，提取的自旋能都可能是照亮黑洞事件視界附近區域的一個重要能量來源。”

幾十年來，科學家們一直在研究黑洞及其與周圍氣體和磁場的相互作用，以瞭解它們是如何爲宇宙中一些最具能量的現象提供動力的。

早期研究主要集中在具有準球形吸積流的低光度黑洞源上，因爲這些系統相對更容易模擬，並且與許多觀測到的噴流相匹配。

然而，具有幾何形狀更薄、密度更大的磁化盤的高光度黑洞有着獨特的難題。由於加熱和冷卻的不平衡，從理論上講這些系統是不穩定的。

不過，包括米奇·貝格曼的研究在內的先前研究表明，強磁場可能會使這些薄盤穩定下來，但在這種情況下，它們在能量提取和噴流形成過程中所起作用的細節仍不清楚。

“我們想要了解在這些高度磁化的環境中能量提取是如何進行的，”丹格解釋道。

該團隊利用先進的計算機模擬來探索這一現象，具體而言，是一種特殊的模型，名爲3D廣義相對論磁流體動力學（GRMHD）模型。

GRMHD模型是一個計算框架，用於模擬黑洞周圍彎曲時空中磁化等離子體的行爲，它結合了磁場物理、流體動力學以及愛因斯坦的廣義相對論，從而捕捉這些極端環境中的複雜相互作用。利用這個框架，研究人員觀察了磁場如何與不同速度旋轉的黑洞相互作用。

“目的是瞭解穿過（滲透）黑洞的磁通量如何影響能量提取，以及它是否會導致噴流的形成，”丹格說。

這些模擬對薄的磁化吸積盤進行建模，並研究黑洞向其周圍環境轉移了多少能量。通過研究這種能量提取的效率，該團隊確定了產生噴流的各種黑洞自旋和磁場配置。

團隊通過模擬發現，根據黑洞的自旋情況，通過BZ過程提取的能量中有10%到70%會被導入到噴流中。

丹格指出：“自旋越高，黑洞能釋放的能量就越多。”

然而，並非所有能量都進入噴流；有些能量被吸回吸積盤（由彌散物質積聚而成的、圍繞中心體轉動的結構）或者以熱能形式耗散。

雖然模擬無法確定多餘的能量去向，但丹格打算進一步研究這個問題，以便更好地理解噴流是如何形成的，因爲噴流經常出現在類星體等活動星系核系統中。

研究人員從他們的模型中發現，強磁場提高了吸積盤的輻射效率，使其更明亮。這種額外的光度或許可以解釋爲什麼有些黑洞看起來比理論模型預測的要明亮得多。

丹格（Dhang）指出：“黑洞附近未被利用的能量可能會加熱吸積盤，並有助於日冕的形成。”

日冕是環繞黑洞的高溫氣體區域，會發射強烈的X射線，它對我們觀測這些系統時所看到的光線的形成至關重要，但其確切的形成過程仍不清楚。

研究人員希望通過進一步的模擬來了解黑洞日冕形成的動力學原理。