黑洞是宇宙中非常奇特的天體，具有超強的重力，以至於在黑洞半徑內連光都無法逃脫它的重力束縛。然而，100多年前天文學家透過觀測發現，就在黑洞半徑之外距離很近的地方，黑洞卻能以接近光速的速度向外噴射出包含物質和能量的強大外流——噴流。
神秘的噴流是如何形成的？近期，由復旦大學物理系天文與天體物理中心袁峰教授帶領的國際團隊，以人類第一張黑洞照片的「主角」——M87星系中心超大品質黑洞的噴流為研究物件，透過計算兩種主流黑洞噴流模型預言的放射線並與觀測進行對比，發現「提取黑洞轉動能」模型所預言的噴流與實際觀測結果非常一致，而另一個模型則難以解釋觀測結果。相關研究於台北時間2024年3月23日發表在【科學進展】上。
已有的觀測顯示，噴流就像一束雷射筆直地向外噴射，有些噴流的長度甚至可以遠遠超過星系的尺度。
神秘的噴流是如何形成的？這個問題已有100余年的研究歷史，包括諾貝爾物理學獎獲得者潘洛斯在內的很多學者都對此進行過研究。目前在該研究領域，主要有兩個模型，一是從大尺度磁場提取黑洞的轉動能，即「提取黑洞轉動能」模型；第二個模型也需要大尺度磁場，但與第一個模型不同，磁場提取的是吸積盤的轉動能，即「提取吸積盤轉動能」模型。
不管是哪個模型，天文學家試圖解決的都只是噴流的能量來源問題。但是，這兩種模型產生的噴流能否與對噴流的形態、寬度、速度場、偏振等的觀測結果一致？另外一個重要問題是，上述兩個噴流形成機制的模型，哪一個是正確的？
M87星系中心超大品質黑洞是「事件視界望遠鏡」拍攝的人類第一張黑洞照片的「明星黑洞」。研究團隊以此黑洞的噴流為例，利用大規模數值模擬求解廣義相對論磁流體力學方程式組，得到了黑洞吸積流以及上述兩種模型產生的噴流，再計算噴流的放射線，並進而與實際觀測進行對比。研究結果顯示，「提取黑洞轉動能」模型預言的噴流形態與實際觀測到的噴流形態非常符合。更多詳細的分析表明，該模型預言的其他結果，如噴流的「邊緣變亮」、噴流寬度、長度、速度場等，也都與觀測相符。而「提取吸積盤轉動能」模型的預言則與觀測不一致。
欄目主編：徐瑞哲 題圖來源：視覺中國 圖片編輯：曹立媛
來源：作者：黃海華
