超大质量黑洞耀斑的起源被确认：事件视界附近的磁“重联”

黑洞并不总是在黑暗中。天文学家已经发现了从超大质量黑洞的事件视界外照射出来的强烈光照，包括我们银河系核心的那个黑洞。然而，除了怀疑有磁场的参与之外，科学家们无法确定这些耀斑的原因。

通过采用功率和分辨率都无与伦比的计算机模拟，物理学家说他们已经解开了这个谜团。研究人员在《天体物理学报》上报告说，在黑洞的事件视界附近，磁场线重新连接时释放的能量为耀斑提供了动力。

新的模拟显示，磁场和落入黑洞口的物质之间的相互作用导致磁场压缩、变平、断裂和重新连接。这一过程最终利用磁能将热的等离子体粒子以接近光速的速度弹射到黑洞中或射向太空。这些粒子然后可以直接以光子的形式辐射掉它们的一些动能，并给附近的光子以能量提升。这些高能量的光子构成了神秘的黑洞耀斑。

在这个模型中，先前坠落的物质盘在耀斑期间被抛出，清除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发生的通常被遮蔽的过程。

“事件视界附近的磁场线重新连接的基本过程可以利用黑洞磁层的磁能，为快速和明亮的耀斑提供动力，”研究报告的共同牵头人Bart Ripperda说，他是纽约市Flatiron研究所计算天体物理学中心（CCA）和普林斯顿大学的联合博士后研究员。“这确实是我们连接等离子体物理学和天体物理学的地方。”

Ripperda与CCA副研究员Alexander Philippov、哈佛大学科学家Matthew Liska和Koushik Chatterjee、阿姆斯特丹大学科学家Gibwa Musoke和Sera Markoff、西北大学科学家Alexander Tchekhovskoy以及伦敦大学学院科学家Ziri Younsi共同撰写了这项新研究。

黑洞，正如它的名字一样，是不发光的。所以耀斑必须来自黑洞的事件视界之外--黑洞的引力变得如此强大，甚至连光都无法逃脱的边界。围绕黑洞的轨道和下坠物质以吸积盘的形式存在，就像M87星系中发现的巨大黑洞周围的吸积盘。这些物质向黑洞赤道附近的事件穹顶层层递进。在其中一些黑洞的南北两极，粒子喷流以近乎光速的速度射向太空。

由于涉及到物理学，识别黑洞解剖学中耀斑形成的位置是非常困难的。黑洞会弯曲时间和空间，并被强大的磁场、辐射场和湍流等离子体--物质热到电子从其原子中分离出来。即使有强大的计算机的帮助，以前的努力也只能在太低的分辨率下模拟黑洞系统，无法看到为耀斑提供动力的机制。

Ripperda和他的同事们全力以赴地提高了他们模拟的细节水平。他们使用了三台超级计算机的计算时间--田纳西州橡树岭国家实验室的Summit超级计算机，得克萨斯大学奥斯汀分校的Longhorn超级计算机，以及位于加州大学圣迭戈分校的Flatiron研究所的Popeye超级计算机。所有这些计算能力的结果是迄今为止对黑洞周围环境的最高分辨率模拟，其分辨率是以前努力的1000多倍。

分辨率的提高使研究人员对导致黑洞耀斑的机制有了一个前所未有的了解。这个过程以黑洞的磁场为中心，它的磁场线从黑洞的事件视界涌出，形成喷流并连接到吸积盘。以前的模拟显示，流入黑洞赤道的物质将磁场线拖向事件视界。被拖动的磁场线在事件视界附近开始堆积，最终推回并阻挡流入的物质。

凭借其特殊的分辨率，新的模拟首次捕捉到了流动物质和黑洞喷流之间的磁场是如何加强的，挤压并压平了赤道场线。这些场线现在交替地指向黑洞或远离它。当两条指向相反方向的线相遇时，它们会断裂、重新连接和纠缠。在连接点之间，在磁场中形成一个“口袋”。这些“口袋”里充满了热的等离子体，这些等离子体要么落入黑洞，要么以巨大的速度被加速送入太空，这要归功于喷流中从磁场中获取的能量。

“如果没有我们模拟的高分辨率，你就无法捕捉到亚动力学和亚结构，”Ripperda说。“在低分辨率的模型中，重联不会发生，所以没有任何机制可以加速粒子。”

被弹射的物质中的等离子体粒子立即以光子的形式将一些能量辐射出去。等离子体粒子可以进一步浸入所需的能量范围，给附近的光子以能量提升。这些光子，无论是路人还是最初由发射的等离子体产生的光子，都构成了能量最大的耀斑。这些物质本身最终会变成一个在黑洞附近运行的“热球”。在银河系的超大质量黑洞附近已经发现了这样一个圆球。Ripperda说：“为这样一个热点提供动力的磁重联是解释这一观测结果的证据。”

研究人员还观察到，在黑洞爆发了一段时间后，磁场能量减弱，系统复位。然后，随着时间的推移，这个过程又重新开始。这种周期性机制解释了为什么黑洞会按照固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）。

Ripperda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，可以确认新模拟中看到的过程是否正在发生，以及它是否会改变黑洞阴影的图像。“我们将不得不看，”Ripperda说。现在，他和他的同事们正在努力改进他们的模拟，使之更加详细。

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