超级计算机模拟为黑洞的X射线辐射提供解释

赫尔辛基大学的研究人员成功实现了自20世纪70年代以来一直追求的一项目标：解释黑洞周围发出的X射线辐射。这种辐射源自磁场和湍流等离子气体的混沌运动的综合作用。

赫尔辛基大学的研究人员利用详细的超级计算机模拟，建立了黑洞周围辐射、等离子体和磁场之间相互作用的模型。他们发现，磁场引起的混乱运动或湍流会加热局部等离子体并使其辐射。

该项研究发表在《自然通讯》杂志上，研究中使用的模拟是第一个涵盖辐射和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。

关注吸积盘的X射线辐射

当一颗大恒星坍缩成如此密集的质量集中体时，其引力甚至阻止光逃离其影响范围，就会形成黑洞。这就是为什么黑洞只能通过其对环境的间接影响来观察，而不是直接观察。

大多数观测到的黑洞都有一颗伴星，它们与伴星组成双星系统。在双星系统中，两个物体相互绕行，伴星的物质缓慢地螺旋进入黑洞。这股缓慢流动的气流通常会在黑洞周围形成一个吸积盘，黑洞是一个明亮的、可观测的X射线源。

自20世纪70年代以来，人们开始尝试模拟黑洞周围吸积流产生的辐射。当时，人们已经认为X射线是通过局部气体和磁场相互作用产生的，类似于太阳周围环境通过太阳耀斑被磁活动加热的方式。

“黑洞吸积盘中的耀斑就像是太阳耀斑的极端版本​​，”赫尔辛基大学计算等离子体天体物理学研究小组负责人、副教授约纳斯·纳蒂拉(JoonasNättilä)说道，该研究小组专门对这种极端等离子体进行精确建模。

辐射-等离子体相互作用

模拟表明，黑洞周围的湍流非常强，甚至量子效应对等离子体动力学也变得重要。

在模拟的电子-正电子等离子体和光子混合物中，局部的X射线辐射可以转变为电子和正电子，当它们接触时，电子和正电子可以湮灭回辐射。

纳蒂拉描述了电子和正电子(彼此的反粒子)通常不会出现在同一个地方。然而，黑洞周围极高的能量环境甚至使这种情况成为可能。一般来说，辐射也不会与等离子体相互作用。然而，光子在黑洞周围非常有能量，因此它们的相互作用对等离子体也很重要。

“在日常生活中，这种突然出现物质取代极亮光的量子现象当然是看不见的，但在黑洞附近，它们就变得至关重要，”纳蒂拉说。

“我们花了数年的时间来研究并将自然界中发生的所有量子现象添加到模拟中，但最终，这是值得的，”他补充道。

辐射起源的准确描述

研究表明，湍流等离子体自然会产生从吸积盘观察到的那种X射线辐射。模拟还首次使人们能够看到黑洞周围的等离子体可以处于两种不同的平衡状态，这取决于外部辐射场。在一种状态下，等离子体是透明和冷的，而在另一种状态下，等离子体是不透明和热的。

纳蒂拉指出：“对黑洞吸积盘的X射线观测显示出所谓的软状态和硬状态之间存在完全相同的变化。”