超级计算机模拟揭示黑洞周围等离子体与磁场相互作用奥秘

超级计算机模拟揭示黑洞周围等离子体与磁场相互作用奥秘

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网易

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赫尔辛基大学的科学家利用超级计算机模拟，揭示了黑洞周围等离子体与磁场相互作用的奥秘。研究发现，磁场引发的湍流会加热等离子体并产生辐射，这一发现为理解黑洞吸积盘的X射线辐射提供了新的视角。

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

当一颗大质量恒星坍缩成黑洞时，其引力强大到连光都无法逃脱。因此，我们无法直接观测黑洞，只能通过其对周围环境的影响来间接观测。大多数已观测到的黑洞都与一颗伴星组成双星系统，伴星物质会形成一个明亮的X射线源——吸积盘。

自20世纪70年代以来，科学家一直在尝试建模黑洞吸积盘产生的辐射。赫尔辛基大学计算等离子体天体物理学研究小组负责人约纳斯·奈蒂莱副教授指出："黑洞吸积盘中的耀斑就像是极端版本的太阳耀斑。"

研究团队的模拟结果显示，黑洞周围的湍流极其强烈，甚至量子效应都对等离子体动力学产生了重要影响。在电子-正电子等离子体和光子的模型混合物中，X射线辐射可以转化为电子和正电子，反之亦然。

奈蒂莱解释道："在黑洞附近，物质突然出现替代极亮光线的量子现象变得至关重要。我们花了数年时间研究自然界中出现的所有量子现象，并将其添加到模拟中，最终证明这一切都是值得的。"

研究发现，湍流等离子体自然会产生从吸积盘中观测到的X射线辐射。模拟还首次揭示，黑洞周围的等离子体可能处于两种截然不同的平衡状态：一种是透明且低温的，另一种是不透明且高温的。这种状态变化与黑洞吸积盘X射线观测中所谓的"软态"和"硬态"变化相吻合。

这项研究发表在《自然-通讯》杂志上，所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