超级计算机模拟加深了我们对黑洞的了解

赫尔辛基大学的科学家利用详细的超级计算机模拟，对黑洞周围的辐射、等离子体和磁场之间的相互作用进行了建模。结果发现，磁场引起的混乱运动（或称湍流）会加热当地的等离子体，使其产生辐射。

可视化展示了湍流等离子体如何在磁化吸积盘日冕中移动。图片来源：Jani Närhi

当一颗大恒星坍缩成如此密集的质量，其引力甚至使光都无法逃离其影响范围时，黑洞就产生了。这就是为什么我们不能直接观测黑洞，而只能通过黑洞对环境的间接影响来观测黑洞的原因。

大多数观测到的黑洞都有一颗伴星，与之形成双星系统。在双星系统中，两个天体相互绕行，伴星的物质缓慢地螺旋状进入黑洞。这种缓慢流动的气体流通常会在黑洞周围形成一个吸积盘，这是一个明亮的、可观测到的 X 射线源。

自 20 世纪 70 年代以来，人们一直在尝试对黑洞周围的吸积流所产生的辐射进行建模。当时，X 射线已经被认为是通过当地气体和磁场的相互作用产生的，类似于太阳耀斑通过磁场活动加热太阳周围环境的原理。

"黑洞吸积盘中的耀斑就像是极端版本的太阳耀斑，"副教授约纳斯-奈蒂莱（Joonas Nättilä）说。Nättilä 是赫尔辛基大学计算等离子体天体物理学研究小组的负责人，该小组专门研究这种极端等离子体的建模。

模拟结果表明，黑洞周围的湍流非常强大，甚至量子效应对于等离子体动力学也变得非常重要。

在电子-正电子等离子体和光子的模型混合物中，当地的 X 射线辐射可以变成电子和正电子，当它们接触时，又会湮灭成辐射。

奈蒂莱描述了电子和正电子作为彼此的反粒子，通常不会出现在同一个地方。然而，黑洞周围极高的能量使得这一切成为可能。一般来说，辐射也不会与等离子体发生相互作用。然而，黑洞周围的光子能量极高，它们之间的相互作用对等离子体也很重要。

"在日常生活中，人们当然不会看到这种物质突然出现以代替极亮光线的量子现象，但在黑洞附近，这种现象就变得至关重要了，"奈蒂莱说。"我们花了数年时间来研究自然界中出现的所有量子现象并将其添加到模拟中，但最终这一切都是值得的。"

研究表明，湍流等离子体自然会产生从吸积盘中观测到的那种 X 射线辐射。模拟还首次发现，黑洞周围的等离子体可能处于两种截然不同的平衡状态，这取决于外部辐射场。在一种状态下，等离子体是透明的、冷的，而在另一种状态下，等离子体是不透明的、热的。

"黑洞吸积盘的 X 射线观测结果显示，所谓的软态和硬态之间也存在同样的变化，"Nättilä 指出。

这项研究发表在备受推崇的《自然-通讯》杂志上。该研究中使用的模拟是首个包含辐射与等离子体之间所有重要量子相互作用的等离子体物理模型。

编译自/ScitechDaily