回答长期以来关于黑洞喷流的问题

亦木近北栽

黑洞M87*(星号表示星系M87中部的黑洞)在被视界望远镜首次探测到时引起了全世界的关注。从那时起，普林斯顿天体物理学家发现黑洞周围的扭曲磁场决定了黑洞图像中观察到的泄露秘密的极化螺旋。特别是，能量流动的方向(从黑洞到磁场，反之亦然)决定了极化扭曲的方式。通过测量极化螺旋的方向，人们可以推断出磁场是从空穴中提取自旋能量还是将自旋能量注入其中。鸣谢:安德鲁·切尔、乔治·王、亚历山德鲁·卢普斯卡和艾略特·夸塔尔的模型，普林斯顿重力计划

（）据普林斯顿大学（丽兹·富勒·赖特）：关于黑洞，每个人都知道的一件事是，附近的所有东西都会被吸进黑洞。事实证明，几乎所有的事情。

“尽管黑洞被定义为任何东西都无法逃脱的物体，但爱因斯坦相对论的一个令人惊讶的预测是，黑洞实际上可以失去能量，”普林斯顿大学1897届基金会的查尔斯·杨天文学教授、天体物理学家艾略特·夸泰尔特说。“它们可以旋转，就像旋转的陀螺随着时间的推移而变慢并在旋转中失去能量一样，旋转的黑洞也可以向周围失去能量。”

自20世纪70年代以来，科学家们已经广泛接受了这一模型。他们知道磁场很可能从旋转的黑洞中提取能量——只是不知道如何提取。

普林斯顿的一个天体物理学家小组现在已经最终确定，靠近黑洞M87*事件视界的能量正在向外推，而不是向内。(M87是星系的名字，梅西耶87，所以其中心的黑洞被命名为M87*。Quataert说，研究人员还创造了一种方法来测试黑洞失去旋转能量的预测，并确定正是这种能量产生了“我们看到的令人难以置信的强大外流，我们称之为喷流。”

这些能量流出射流“基本上就像百万光年长的绝地光剑，”前普林斯顿博士后亚历山德鲁·卢普斯卡(Alexandru Lupsasca)说，它们可以延伸到银河系的10倍。

他们的工作成果发表在最新一期的《天体物理学杂志》上。天体物理学副研究员安德鲁·切尔(Andrew Chael)是这篇论文的第一作者。他和合著者George Wong都是视界望远镜团队的成员，在开发用于解释黑洞的模型方面发挥了关键作用。Chael、Wong、Lupsasca和Quataert都是普林斯顿重力计划的理论家。

该团队将这篇新论文核心的重要见解归功于切尔:磁力线螺旋的方向揭示了能量流动的方向。从那以后，“剩下的事情就水到渠成了，”夸塔尔说。


“如果你拿起地球，把它全部变成梯恩梯，每秒钟爆炸1000次，持续数百万年，这就是我们从M87中获得的能量，”普林斯顿重力倡议副研究员、高级研究所成员王说。



一个简单的黑洞模型。鸣谢:Andrew Chael、George Wong、Alexandru Lupsasca和Eliot Quataert，普林斯顿重力计划

几十年来，科学家们已经知道，当黑洞开始旋转时，它会带着时空结构一起旋转。穿过黑洞的磁力线被拖着走，这减缓了旋转，导致能量释放。

“我们新的、敏锐的预测是，每当你观察一个天体物理黑洞，如果它有磁力线与之相连，就会有能量转移——真正疯狂的能量转移，”普林斯顿大学前副研究员卢普斯卡说，他现在是范德比尔特大学的物理学和数学助理教授，他因黑洞研究获得了突破奖基金会颁发的2024年物理学新视野奖。

虽然接近M87*事件视界的能量流向外流动，但研究小组表示，能量流理论上可以在不同的黑洞中向内流动。他们对能量流和磁力线方向之间的联系充满信心，他们关于能量流来自黑洞的预测将通过仍处于理论阶段的“下一代”事件视界望远镜的发射得到验证。



M87*的3D超级计算机模拟。鸣谢:Andrew Chael、George Wong、Alexandru Lupsasca和Eliot Quataert，普林斯顿重力计划

Wong说，在过去的一年半时间里，世界各地的黑洞研究人员一直在为未来的仪器提出规格。“像我们这样的文件可以在确定我们需要什么方面发挥至关重要的作用。我认为这是一个令人难以置信的激动时刻。”

这四名研究人员在他们的论文中强调，他们尚未最终证明黑洞的旋转“真正为河外喷流提供了动力”，尽管证据肯定倾向于那个方向。尽管他们的模型显示的能量水平与喷流所需的相当，但他们不能排除喷流由黑洞外旋转的等离子体提供动力的可能性。“我认为黑洞极有可能为喷气式飞机提供动力，但我们无法证明这一点，”Lupsasca说。“还没有。”