黑洞不仅仅是宇宙吸尘器--它们还是强大的能量引擎，能够重新分配巨大的能量。黑洞通过强大的磁场旋转和汲取能量，推动高能喷流的形成。 先进的模拟显示，多达70%的这种能量可以重新定向到太空中，影响黑洞亮度和星系动力学。

艺术家绘制的被高磁化薄盘包围的黑洞。 图片来源：Steven Burrows/Prasun Dhang 编辑

长期以来，黑洞一直令科学家们着迷--它不仅是宇宙吸尘器，还是强大的能量引擎，能够提取和重新分配巨大的能量。 这些神秘的庞然大物往往被气体和尘埃的漩涡盘（即吸积盘）所包围。 当这些磁盘被强烈磁化时，它们就会像银河发电厂一样发挥作用，通过一种叫做布兰福德-兹纳杰克（BZ）效应的过程从黑洞的自旋中汲取能量。

虽然研究人员认为 BZ 效应是这种能量提取背后的主要机制，但仍然存在许多问题。 目前还不清楚是什么决定了有多少能量被引导到强大的喷流（从黑洞两极射出的粒子流和辐射流）中，还是以热量的形式流失。

为了探索这些奥秘，JILA 博士后研究员 Prasun Dhang 与 JILA 研究员、科罗拉多大学博尔德分校天体物理学教授 Mitch Begelman 和 Jason Dexter 一起，将目光转向了先进的计算机模拟。 通过模拟黑洞与薄而高磁化的吸积盘，他们旨在揭示支配这些极端系统的基本物理学原理。他们的研究结果于2月14日发表在《天体物理学报》上，为黑洞动力学提供了关键的见解，并可能重塑我们对黑洞对星系形成的影响的认识。

德克斯特解释说："人们早就知道，下沉气体可以从黑洞中提取自旋能量。通常，我们认为这是喷流的重要动力。通过更精确的测量，发现所提取的能量比以前所知的要多得多。 这些能量可能以光的形式辐射出去，也可能导致气体向外流动。 无论哪种方式，提取的自旋能量都可能成为照亮黑洞事件视界附近区域的重要能源。"

几十年来，科学家们一直在研究黑洞及其与周围气体和磁场的相互作用，以了解它们是如何产生宇宙中一些能量最大的现象的。 早期的研究主要集中在具有准球形吸积流的低照度黑洞源，因为这些系统相对更容易模拟，并与许多观测到的喷流相吻合。

然而，具有几何上更薄、密度更大的磁化盘的高亮度黑洞带来了独特的挑战。 由于加热和冷却的不平衡，这些系统理论上是不稳定的。

然而，包括米奇-贝格尔曼（Mitch Begelman）在内的先前研究表明，强磁场可能会稳定这些薄磁盘，但在这种条件下，强磁场在能量提取和喷流形成中的作用细节仍不清楚。

研究小组利用先进的计算机模拟来探索这一现象，特别是一种被称为三维广义相对论磁流体动力学（GRMHD）模型的特殊类型模型。 GRMHD 模型作为一个计算框架，模拟了黑洞周围弯曲时空中的磁化  等离子体的行为，结合了磁场物理学、流体动力学和爱因斯坦的广义相对论，捕捉到了这些极端环境中复杂的相互作用。 利用这一框架，研究人员观察了磁场如何与以不同速度旋转的黑洞相互作用。

Dhang说："我们的目标是观察磁通量穿透（渗透）黑洞对能量提取的影响，以及是否会导致喷流的形成。"

模拟建模了薄而磁化的吸积盘，并研究了黑洞向其周围传递了多少能量。 通过研究这种能量提取的效率，研究小组确定了带有喷流的各种黑洞自旋和磁性配置。

通过模拟，研究小组发现，根据黑洞的自旋，通过BZ过程提取的能量有10%到70%被导入喷流。自旋越高，黑洞释放的能量就越多。

然而，并不是所有的能量都进入了喷流；有些能量被吸收回了星盘，或者作为热量消散了。

虽然模拟无法确定多余的能量去了哪里，但Dhang计划进一步研究这个问题，以便更好地了解喷流是如何形成的，因为喷流经常出现在类星体等活动星系核系统中。

研究人员从模型中发现，强磁场提高了磁盘的辐射效率，使其更加明亮。 这种额外的亮度可以解释为什么一些黑洞看起来比理论模型预测的要亮得多。

Dhang指出："黑洞附近未被利用的能量可能会加热圆盘并形成冕。"

黑洞冕是黑洞周围的高温气体区域，会发出强烈的X射线，对于形成我们从这些系统观测到的光线至关重要，但其确切的形成过程仍不清楚。研究人员希望通过进一步的模拟来了解黑洞冕的形成动态。

编译自/ScitechDaily