科学家发现怪兽级黑洞内部隐藏的能量源泉

位于巨大星系M87中心的黑洞M87*质量高达太阳的65亿倍，并以极高速度自转。它利用自身旋转的能量，推动一股接近光速的粒子喷流，延伸超过5000光年。这类喷流广泛存在于宇宙中其他旋转黑洞周围，不仅向宇宙播散能量和物质，还可能影响整个星系的演化。长期以来，科学家认为这种能量提取主要依赖于‘布兰德福德-兹纳杰克机制’——即通过强磁场从黑洞旋转中抽取能量。然而，最近德国法兰克福大学天体物理学家卢西亚诺·雷佐拉教授领导的团队提出了新发现：除了上述机制，‘磁重联’过程也发挥了重要作用。磁重联是指磁场线断裂并重新连接的过程，能将磁能转化为热能、辐射以及剧烈的等离子体爆发。研究团队开发了一套名为FPIC（法兰克福黑洞时空粒子模拟代码）的高精度数值模型，精确模拟了在黑洞强大引力下大量带电粒子与极端电磁场的演化过程。该模拟需借助高性能超级计算机，在法兰克福和斯图加特的超算上运行数百万CPU小时，结合爱因斯坦广义相对论，求解麦克斯韦方程和电子、正电子的运动方程。结果显示，在黑洞赤道面附近存在强烈的磁重联活动，形成一连串高速移动的‘等离子体团’——即充满能量的等离子‘气泡’。更关键的是，这一过程会产生具有负能量的粒子，这些粒子被吸入黑洞，从而使其损失旋转能量，而释放出的能量则用于驱动喷流和等离子爆发。研究人员指出，这表明黑洞并非只能通过单一机制输出能量，磁重联同样是一种有效的能量提取方式。这项工作不仅帮助我们理解黑洞如何高效地将旋转能转化为喷流动能，也为解释活动星系核的巨大亮度、以及粒子为何能被加速到接近光速提供了新视角。研究团队表示，用先进数值模拟探索黑洞附近的极端物理环境令人振奋，而更令人满足的是，他们还能用严谨的数学方法解释这些复杂模拟的结果，使理论与计算相辅相成。