明敏 發自 凹非寺
量子位 報道 | 公眾號 QbitAI
提到黑洞，我們第一想到的肯定是
光都無法逃逸
的特性。
所以黑洞真的只是個洞？
答案可沒這麼簡單。
此前科學家們就發現，黑洞在用強大引力吞噬萬物的同時，還會發射出一股能量非常高的等離子噴流，也就是
黑洞噴流
。
以M87星系黑洞為例，這些噴流能夠從黑洞中心向外延伸至少5000光年，速度接近光速。
這可就令人頭大了。
科學家們好不容易弄清楚為什麼黑洞連光都能捕獲，結果它自己還噴東西出來？
不過這個宇宙難題，在最近傳來了好訊息。
事件視界望遠鏡（EHT）公佈了一張偏振光下的黑洞影象，為研究黑洞噴流提供了有力證據。
這一次的照片為研究黑洞提供了一個全新的視角。
科學家們合成了M87星系黑洞在偏振光下的影象。
與2019年公佈的第一張黑洞照片不同的是，偏振光下的黑洞有了一圈炫酷的
螺旋光紋
。
科學家們介紹，這些螺旋光紋是由黑洞周圍的強磁場造成的。
而這一結果為已經流行了44年的
黑洞噴流原理
——布蘭德福–日納傑過程（Blandford–Znajek process）提供了強有力的證據。
旋轉上升、逃離黑洞
不過，為什麼看到了一圈黑洞周圍的光紋，就能驗證黑洞噴流原理了呢？
想要知道其中的關係，我們要先來弄清楚黑洞噴流到底是什麼。
早在1918年，科學家希伯·柯蒂斯（Heber Curtis）就觀測到了M87星系黑洞的噴流，他將其描述為“一道非常奇怪的直射光”從一片模糊的光斑中心射出。
但在當時，科學家並不知道這道光是來自黑洞的。
大家都在困惑：為什麼發射這道直射光的光斑來自於一個星系的兩側？
△天鵝座A星系中出現的噴流產生了巨大的星際斑塊
羅傑·布蘭福德（Roger Blandford）和羅馬·日納傑（Roman Znajek）猜測這或許和黑洞有關。
後來物理學家也證明，黑洞是一個星系的“錨”，這些斑塊是星系中心的一個大黑洞向相反方向射出的噴流產生的。
在數學家羅伊·克爾（Roy Kerr）計算出黑洞自旋方程、羅傑·彭羅斯（Roger Penrose）證明黑洞自旋可減速並將所產生的能量轉化為其他東西的基礎上，1977年他們正式提出了
布蘭德福–日納傑過程
。
△羅傑·布蘭福德和羅馬·日納傑
首先，他們明確黑洞可以吸引大量的星際氣體在其周圍，這些氣體會在隨著黑洞旋轉時，形成一個“吸積盤”。
與此同時，氣體也被加熱到了非常高的溫度。
這會導致氣體中的電子喪失，變成一個攜帶
磁場
的等離子體。
布蘭福德和日納傑認為，黑洞的自旋會把吸積盤產生的磁場扭曲成一種螺旋形態。
當磁場發生運動時，就會產生一個強大的電壓。這個電壓會把能量從黑洞中沿著螺旋線向上、向外吸引，從而形成了
噴流
。
上世紀80年代開始，科學家們開始嘗試在計算機上模擬這個過程。
起初，研究人員只是將吸積盤稍微磁化，得到了
SANE模型
。
在這個模型中，等離子體繞著黑洞旋轉時就像水流向排水口一樣，是非常
無力
的，而且方向隨機。
這會導致粒子發生相互碰撞後，失去能量和角動能落入黑洞。
隨著落入黑洞的粒子越來越多，黑洞周圍就形成了一個磁場，並且黑洞自旋會把這個磁場扭曲成一種螺旋形態，然後產生噴流。
到了20世紀90年代末，哈佛大學的拉梅什·納拉揚（Ramesh Narayan）等研究人員開始試著提高模型中黑洞周圍的磁場強度。
他們發現，當磁場足夠強時，等離子體就會變得非常有序，並且能夠控制吸積盤、而不是被它控制。
磁場線能夠在黑洞周圍形成一個力場，作為噴流的套筒，這也可以防止等離子體落入黑洞中。
這就是
MAD模型
。
很長時間以來，人們都認為SANE模型更合理。
但現在的觀測結果表明，黑洞附近的磁場非常強、而且磁場線非常有序，這顯然與MAD模型更加貼近。
繼續前進
為了進一步探索M87星系黑洞周圍的強磁場，科學家們必須要先破解螺旋磁場線的“密碼”。
目前他們正試圖逆向推匯出磁場的形態。
與此同時，也有研究人員在模擬黑洞周圍更大的區域，以研究恆星是如何產生中心磁場的。
此外，他們還提出了一些疑問：
比如，
噴流是如何發光的？
它每秒鐘就能產生大約3萬億兆焦耳的能量，如此小的粒子是怎麼做到的？
這也讓布蘭福德不禁感嘆：“大自然能夠構造出這些東西，實在是令人驚訝。”
參考連結：
［1］https：//www。quantamagazine。org/physicists-identify-the-engine-powering-black-hole-energy-beams-20210520/
［2］https：//eventhorizontelescope。org/blog/astronomers-image-magnetic-fields-edge-m87s-black-hole