西蒙斯基金会托马斯·萨姆纳
一个新黑洞模拟的快照
这里，绿色磁场线覆盖在热等离子体地图上
就在黑洞的视界之外，指向相反方向的磁场线的连接形成了一个X点，它们在X点交叉
这种重新连接的过程将等离子体中的一些粒子发射到黑洞中，另一些粒子发射到太空中，这是黑洞耀斑产生的重要一步
信用:乙
Ripperda等人
，天体物理学杂志快报2022 黑洞并不总是在黑暗中
天文学家发现了从超大质量黑洞活动视界外发出的强光，包括我们银河系核心的黑洞
然而，科学家们除了怀疑与磁场有关之外，无法确定这些耀斑的原因
研究人员在1月14日的《天体物理学杂志快报》上发表报告称，通过使用计算机模拟无与伦比的能量和分辨率，物理学家们称他们已经解开了这个谜:在磁场线重新连接过程中，黑洞视界附近释放的能量为耀斑提供了能量
新的模拟显示，磁场和落入黑洞最大允许范围的物质之间的相互作用导致磁场压缩、变平、破裂和重新连接
这个过程最终利用磁能以接近光速将热等离子体粒子弹入黑洞或太空
这些粒子然后可以直接辐射出它们的一些动能作为光子，并给附近的光子一个能量提升
这些高能光子构成了神秘的黑洞耀斑
在这个模型中，在耀斑期间，先前下落的物质盘被喷射出来，清理了事件视界周围的区域
这种整理可以为天文学家提供一个不受阻碍的视野，让他们看到事件视界外通常被遮蔽的过程
“事件视界附近磁场线重新连接的基本过程可以利用黑洞磁层的磁能来产生快速明亮的耀斑，”这项研究的合著者巴特·里佩尔达说，他是纽约市弗拉铁研究所计算天体物理学中心和普林斯顿大学的联合博士后研究员
“这确实是我们将等离子体物理和天体物理学联系起来的地方
" 里佩尔达与CCA副研究员科学家亚历山大·菲利波夫、哈佛大学科学家马修·利斯卡和库什克·查特吉、阿姆斯特丹大学科学家吉布瓦·穆索克和塞拉·马科夫、西北大学科学家亚历山大·切霍夫斯科伊和伦敦大学学院科学家齐里·尤恩西共同撰写了这项新研究
耀斑爆发前黑洞的俯视图
热等离子体最初流入黑洞
随着磁场的发展，这种流动逆转，向外发射一些物质
加速的物质会产生耀斑
信用:乙
Ripperda等人
，天体物理学杂志快报2022 一个名副其实的黑洞不发光
所以耀斑一定起源于黑洞视界之外——黑洞引力变得如此强大以至于连光都无法逃脱的边界
环绕和下落的物质以吸积盘的形式围绕着黑洞，就像在M87星系中发现的巨型黑洞周围的吸积盘一样
这种物质向黑洞赤道附近的视界级联
在其中一些黑洞的北极和南极，粒子射流以接近光速射向太空
由于所涉及的物理问题，识别黑洞解剖结构中耀斑形成的位置非常困难
黑洞扭曲了时间和空间，被强大的磁场、辐射场和湍流等离子体所包围——这些物质非常热，以至于电子会脱离它们的原子
即使有强大计算机的帮助，以前的努力也只能模拟分辨率太低的黑洞系统，看不到为耀斑提供动力的机制
瑞普达和他的同事们全力以赴提高他们模拟的细节水平
他们在三台超级计算机上使用计算时间——田纳西州橡树岭国家实验室的Summit超级计算机、奥斯汀德克萨斯大学的Longhorn超级计算机和圣地亚哥加州大学的Flatiron Institute的Popeye超级计算机
该项目总共花费了数百万个计算小时
所有这些计算肌肉的结果是迄今为止对黑洞周围环境的最高分辨率模拟，分辨率是以前的1000多倍
分辨率的提高让研究人员对导致黑洞耀斑的机制有了前所未有的了解
这个过程以黑洞的磁场为中心，磁场线从黑洞的视界中弹出，形成喷流并连接到吸积盘
之前的模拟显示，流入黑洞赤道的物质会将磁力线拉向事件视界
被拖动的场线在事件视界附近开始堆积，最终推回并阻挡物质流入
凭借其卓越的分辨率，新的模拟首次捕捉到了流动物质和黑洞喷流之间边界的磁场是如何增强、挤压和拉平赤道场线的
那些场线现在处于指向黑洞或远离黑洞的交替通道中
当两条指向相反方向的线相遇时，它们会断裂、重新连接并纠缠在一起
在连接点之间，磁场中形成一个口袋
这些口袋里充满了热等离子体，这些等离子体要么落入黑洞，要么由于喷流中磁场的能量而以惊人的速度被加速到太空中
“没有我们模拟的高分辨率，你就无法捕捉到子动力学和子结构，”里珀达说
“在低分辨率模型中，不会发生重新连接，因此没有任何机制可以加速粒子
" 一个新黑洞模拟的快照
信用:乙
Ripperda等人
，天体物理学杂志快报2022 弹射材料中的等离子体粒子立即以光子的形式辐射出一些能量
等离子体粒子可以进一步进入给附近的光子能量提升所需的能量范围
这些光子，要么是路人，要么是最初由发射的等离子体产生的光子，构成了能量最强的耀斑
这种物质本身最终会在黑洞附近形成一个热团
在银河系的超大质量黑洞附近发现了这样一个斑点
“为这样一个热点供电的磁重联是解释这一观察的确凿证据，”里珀达说
研究人员还观察到，在黑洞耀斑一段时间后，磁场能量减弱，系统复位
然后，随着时间的推移，这个过程重新开始
这种循环机制解释了为什么黑洞会按照设定的时间表发射耀斑，从每天(对于我们银河系的超大质量黑洞)到每隔几年(对于M87和其他黑洞)
里佩尔达认为，最近发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜的观测与事件视界望远镜的观测相结合，可以确定新模拟中看到的过程是否正在发生，以及它是否改变了黑洞阴影的图像
“我们将不得不看看，”瑞普达说
目前，他和他的同事们正在努力用更多的细节来改进他们的模拟
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