M87 黑洞百年謎題破解，高精度模擬發現噴流能量來源

由法蘭克福大學的理論天文物理學家團隊開發出一種高數學精度的數值程式，能夠準確描述黑洞如何將自身的旋轉能量轉化為如此高速的噴流，幫助我們解開超大質量黑洞的相對論性噴流謎團。

M87的百年謎團

早在2019年事件視界望遠鏡（EHT）合作團隊釋出首張黑洞影像的一個世紀前，天文學家就已經發現了從該星系中心伸出的奇異噴流。如今我們知道，那正是黑洞M87*的噴流。而這樣的噴流並非M87*獨有，其他黑洞也會產生類似現象。

在近兩個世紀裡，天文學家都未能確定室女座中由梅西耶於1781年記錄下的第87號星雲實際上是一個龐大的星系。因此，當1918年發現該星雲中心射出奇怪噴流時，也無從解釋其成因。如今我們知道，在巨大的星系M87中心，存在一個質量高達65億個太陽質量的黑洞M87*，並且以極高的速度自轉。這個黑洞利用自身旋轉的能量，推動幾乎以光速噴出的粒子流，長度橫跨驚人的5,000光年。這類噴流在其他旋轉黑洞中也普遍存在，能將能量與物質散布於宇宙之中，影響整個星系的演化。一般認為，相對論性噴流的直接成因是中心黑洞吸積盤表面的磁場沿著自轉軸的方向扭曲並向外發射，但由於形成這類高速噴流需要龐大的能量，目前對其形成機制仍尚有爭論與許多不確定之處。

超級電腦發現全新機制

由Luciano Rezzolla教授領導的歌德大學天文物理團隊開發出一款名為FPIC（Frankfurt Particle-in-Cell code for black hole spacetimes）的數值模擬程式，能夠高精度描述黑洞將旋轉能量轉化為粒子噴流的過程。團隊的研究結果顯示，除了以往公認的布蘭德福-日納傑過程（Blandford-Znajek process）外，還有另一種機制磁重聯參與其中。在這個過程中，磁力線會斷裂並重新連接，使磁能轉化為熱能、輻射以及高能電漿噴發。

FPIC模擬了大量帶電粒子與極端電磁場在黑洞強重力作用下的演化，這些過程至關重要，能幫助我們理解在黑洞附近彎曲的時空中相對論性電漿的複雜動態，這些動態受制於極端的引力與磁場相互作用。這項研究需要極高運算量的超級電腦模擬，耗費數百萬個CPU小時。這龐大的運算能力用於求解馬克士威方程組以及在廣義相對論框架下電子與正電子的運動方程。

在黑洞赤道平面上的計算顯示，發生了劇烈的磁重聯現象，導致形成一串電漿粒團以近光速運動。研究人員指出，這一過程同時伴隨著產生負能量粒子，這些粒子可用來驅動極端的現象，例如黑洞噴流與電漿爆發。

▲ 在黑洞赤道平面上的電流層（current sheet）沿線形成一串等電漿粒團（plasmoids）鏈，其中左側區域的粒子密度較高。在此處發生磁重聯（magnetic reconnection），使粒子被加速至極高能量（右圖）。部分粒子沿著黑洞的自轉軸方向達到相對論速度，最終形成由 Blandford–Znajek機制所驅動的噴流。（Source：IOP）

Rezzolla教授補充：「我們的研究證明了如何有效地從旋轉黑洞中提取能量，並形成噴流。這有助於解釋活動星系核的極端亮度，以及粒子如何被加速至接近光速。同時，更令人欣慰的是，我們不僅能模擬結果，還能以嚴謹的數學方式解釋這些複雜現象，這正是我們研究的最大收穫。」

（本文由台北天文館授權轉載；首圖為示意圖，來源：NASA）