黑洞并不總是在黑暗中。天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，超大質(zhì)量黑洞（包括銀河系核心的黑洞）的事件視界之外發(fā)出強烈的光。然而，除了懷疑磁場的參與之外，科學(xué)家無法確定這些耀斑的原因。

物理學(xué)家表示，通過計算機模擬無與倫比的功率和分辨率，他們已經(jīng)解開了這個謎團。研究人員在《天體物理學(xué)報》 中報告稱，當(dāng)磁場線在黑洞事件視界附近重新連接時釋放的能量為耀斑提供了動力。

新的模擬表明，磁場與落入黑洞口的物質(zhì)之間的相互作用導(dǎo)致磁場壓縮、壓平、破裂和重新連接。該過程最終利用磁能將熱等離子體粒子以接近光速彈射到黑洞或太空中。然后，這些粒子可以直接以光子的形式輻射掉一些動能，并為附近的光子提供能量提升。這些高能光子構(gòu)成了神秘的黑洞耀斑。

在這個模型中，先前下落的物質(zhì)盤在耀斑期間被噴射出來，清理了事件視界周圍的區(qū)域。這種分類可以為天文學(xué)家提供對事件視界之外發(fā)生的通常被遮擋的過程的無障礙觀察。

“事件視界附近磁場線重新連接的基本過程可以利用黑洞磁層的磁能來為快速而明亮的耀斑提供動力，”該研究的共同主要作者、熨斗研究所計算天體物理學(xué)主任巴特·里珀達(dá)（Bart Ripperda）說。紐約市。科學(xué)中心(CCA) 和普林斯頓大學(xué)。 “這確實是我們將等離子體物理學(xué)和天體物理學(xué)聯(lián)系起來的地方?！?

Ripperda 與CCA 副研究員Alexander Philippov、哈佛大學(xué)科學(xué)家Matthew Liska 和Koushik Chatterjee、阿姆斯特丹大學(xué)科學(xué)家Gibwa Musoke 和Sera Markoff、西北大學(xué)科學(xué)家Alexander Tchekhovskoy 以及倫敦大學(xué)學(xué)院科學(xué)家Ziri Younsi 共同撰寫了這項新研究。

顧名思義，黑洞不發(fā)光。因此，耀斑必須來自黑洞的事件視界之外——黑洞的引力變得如此強大，以至于連光都無法逃脫的邊界。黑洞周圍繞軌道運行和落入的物質(zhì)以吸積盤的形式存在，就像在M87 星系的大質(zhì)量黑洞周圍發(fā)現(xiàn)的吸積盤一樣。這種物質(zhì)向黑洞赤道附近的事件圓頂?shù)纳蠈忧斑M(jìn)。在其中一些黑洞的南北兩極，粒子流以接近光速的速度射入太空。

由于所涉及的物理原理，確定耀斑在黑洞的解剖結(jié)構(gòu)中形成的位置非常困難。黑洞扭曲時間和空間，并由強大的磁場、輻射場和湍流等離子體驅(qū)動——這些物質(zhì)非常熱，以至于電子從原子中被撕裂。即使在強大計算機的幫助下，以前的努力也只能以太低的分辨率模擬黑洞系統(tǒng)，無法看到為耀斑提供動力的機制。

里珀達(dá)和他的同事竭盡全力提高模擬的細(xì)節(jié)水平。他們使用了三臺超級計算機的計算時間——田納西州橡樹嶺國家實驗室的Summit超級計算機、德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的Longhorn超級計算機以及加州大學(xué)圣地亞哥分校Flatiron研究所的Popeye超級計算機。所有這些計算能力的結(jié)果是迄今為止對黑洞周圍環(huán)境的最高分辨率模擬，其分辨率比以前的努力高出1,000 倍以上。

分辨率的提高使研究人員對導(dǎo)致黑洞耀斑的機制有了前所未有的了解。這個過程以黑洞的磁場為中心，其磁場線從黑洞的事件視界出現(xiàn)，形成噴流并連接到吸積盤。先前的模擬表明，流入黑洞赤道的物質(zhì)將磁場線拖向事件視界。被拖曳的磁力線開始在事件視界附近堆積，最終推回并阻擋傳入的物質(zhì)。

憑借其卓越的分辨率，新的模擬首次捕捉到流動物質(zhì)和黑洞噴流之間的磁場如何增強、擠壓和壓平赤道磁力線。這些場線現(xiàn)在交替指向黑洞或遠(yuǎn)離黑洞。當(dāng)指向相反方向的兩條線相遇時，它們會斷裂、重新連接并糾纏在一起。在連接點之間，磁場中形成一個“口袋”。這些“口袋”充滿了熱等離子體，由于從噴流中的磁場捕獲的能量，這些等離子體要么落入黑洞，要么以極高的速度加速進(jìn)入太空。

“如果沒有高分辨率的模擬，你就無法捕獲子動力學(xué)和子結(jié)構(gòu)，”里珀達(dá)說。 “在低分辨率模型中，不會發(fā)生重新連接，因此沒有加速粒子的機制?！?

噴射材料中的等離子體粒子立即以光子的形式輻射出一些能量。等離子體粒子可以進(jìn)一步進(jìn)入所需的能量范圍，為附近的光子提供能量提升。這些光子，無論是來自路人還是最初由發(fā)射的等離子體產(chǎn)生的，都構(gòu)成了最具能量的耀斑。該物質(zhì)本身最終將成為一個在黑洞附近軌道運行的“熱球”。在銀河系超大質(zhì)量黑洞附近發(fā)現(xiàn)了這樣一個球體。里珀達(dá)說：“為這樣一個熱點提供動力的磁重聯(lián)是解釋這一觀察結(jié)果的證據(jù)?！?

研究人員還觀察到，黑洞爆炸后一段時間后，磁場能量減弱，系統(tǒng)重置。然后，隨著時間的推移，這個過程又重新開始。這種周期性機制解釋了為什么黑洞會按照固定的時間表發(fā)射耀斑，從每天（對于我們銀河系的超大質(zhì)量黑洞）到每隔幾年（對于M87 和其他黑洞）。

里珀達(dá)認(rèn)為，最近發(fā)射的詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的觀測結(jié)果與事件視界望遠(yuǎn)鏡的觀測結(jié)果相結(jié)合，可以確認(rèn)新模擬中看到的過程是否正在發(fā)生，以及它是否改變了黑洞陰影的圖像。 “我們得看看，”里珀達(dá)說。現(xiàn)在，他和他的同事正在努力改進(jìn)他們的模擬并使它們更加詳細(xì)。