黑洞的磁“秃顶”拯救了广义相对论的预测


模拟黑洞周围的磁力线(绿色)(左图)。当磁力线断开并重新连接时,等离子体的口袋(绿色圆圈中心)。这些等离子体囊向黑洞内或向太空外发射,从磁场中吸取能量。CREDIT A. Bransgrove等人/Physical Review Letters 2021

黑洞吃什么并不重要。爱因斯坦的广义相对论预言,无论黑洞消耗什么,它的外部属性只取决于它的质量、旋转和电荷。关于它饮食的其他细节都消失了。

天体物理学家异想天开地称之为“无头发猜想”。(人们说黑洞“没有头发”。)

不过,这个猜想有一个潜在的危险。黑洞可以在强磁场中诞生,也可以通过咀嚼磁化物质获得强磁场。这样一个领域必须迅速消失,才能让“光头猜想”保持下去。但真正的黑洞并不是孤立存在的。它们可以被等离子体包围,等离子体是一种能量极高的气体,电子已经从原子中分离出来,可以维持磁场,这可能会推翻上述猜想。

来自纽约熨斗研究所计算天体物理中心(CCA)、哥伦比亚大学和普林斯顿大学的研究人员利用超级计算机模拟等离子体吞没的黑洞,发现没有头发的猜想成立。该研究小组在7月27日的《物理评论快报》上报道了他们的发现。

“光头猜想是广义相对论的基石,”该研究的合著者巴特·里珀达(Bart Ripperda)说,他是美国加州大学的研究员,也是普林斯顿大学的博士后。“如果一个黑洞有一个长期存在的磁场,那么没有头发的猜想就被违背了。幸运的是,等离子体物理学的解决方案挽救了光头猜想。”

该团队的模拟显示,黑洞周围的磁力线会迅速断开并重新连接,形成充满等离子体的口袋,这些口袋要么被发射到太空中,要么落入黑洞的胃中。研究人员报告说,这个过程会迅速耗尽磁场,这可以解释在超大质量黑洞附近看到的耀斑。

“理论家们没有想到这一点,因为他们通常把黑洞放在真空中,”里珀达说。“但在现实生活中,通常存在等离子体,而等离子体可以维持并带来磁场。这必须符合你关于没有头发的猜想。”

里珀达与哥伦比亚大学研究生阿什利·布兰斯格罗夫和美国加州大学助理研究科学家萨沙·菲利波夫共同撰写了这项研究,菲利波夫也是普林斯顿大学的访问学者。

2011年对这个问题的一项研究表明,光头猜想有问题。然而,该研究仅在低分辨率下观察了这些系统,并将血浆视为流体。然而,黑洞周围的等离子体是如此的稀薄,以至于粒子很少相互碰撞,所以把它当作流体是过于简单化了。

在这项新研究中,研究人员使用黑洞磁场的广义相对论模型进行了高分辨率等离子体物理模拟。总共花费了1000万个CPU小时来完成所有的计算。“如果没有熨斗研究所的计算资源,我们不可能完成这些模拟,”里珀达说。

模拟结果显示了黑洞周围的磁场是如何演变的。起初,磁场以弧形的形式从黑洞的北极延伸到南极。然后,等离子体内部的相互作用导致磁场向外膨胀。这一开放导致磁场分裂成独立的磁力线,从黑洞向外辐射。

磁力线在方向上交替,要么朝向视界,要么远离视界。附近的磁力线连接起来,形成了一种编织的磁力线组合在一起又分开。在两个这样的连接点之间,存在一个充满等离子体的空隙。等离子体被磁场激发,向外发射到太空或向内发射到黑洞。随着这个过程的继续,磁场失去能量并最终消失。

关键的是,这个过程发生得很快。研究人员发现,黑洞以光速的10%的速度消耗其磁场。“快速的连接避免了没有头发的猜测,”里珀达说。

研究人员提出,为观测到的梅西耶87星系中心超大质量黑洞耀斑提供动力的机制,可以用模拟中看到的秃顶过程来解释。他们说,初步的比较看起来很有希望,不过还需要更有力的评估。如果它们真的排成一行,那么在黑洞事件视界由磁场重联提供动力的高能耀斑可能是一个普遍现象。

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