快速旋转的黑洞吸积盘和由此产生的黑洞动力射流的3D渲染。来源：uux.cn/Ore-Gottlieb等人（2024）

（神秘的地球uux.cn）据西蒙斯基金会：黑洞是最神秘的恒星物体之一。虽然它们最出名的是将周围的环境吞噬到一个没有任何东西可以逃脱的重力坑中，但它们也可以发射出强大的带电粒子射流，导致伽马射线的爆炸性爆发，这些爆发可以在短短几秒钟内释放出比我们的太阳在其整个生命周期内释放的能量更多的能量。

为了发生如此壮观的事件，黑洞需要携带强大的磁场。然而，这种磁性从何而来一直是个谜。

利用黑洞形成的计算，Flatiron研究所的科学家和他们的合作者终于找到了这些磁场的起源：黑洞本身的坍缩母恒星。研究人员于11月18日在《天体物理学杂志快报》上报告了他们的研究结果。

黑洞可以在恒星爆炸成超新星后形成，留下一个被称为原中子星的致密残余核心。

该研究的第一作者、纽约市Flatiron研究所计算天体物理中心（CCA）的研究员Ore Gottlieb说：“原中子星是黑洞的母亲，因为当它们坍缩时，黑洞就会诞生。我们看到的是，随着这个黑洞的形成，原中子星周围的圆盘基本上会将其磁力线固定在黑洞上。”。

“最终了解黑洞的这一基本特性以及它们如何驱动伽马射线爆发——宇宙中最明亮的爆炸——是非常令人兴奋的。”

Gottlieb与CCA研究员Brian Metzger、Jared Goldberg、Matteo Cantiello和Mathieu Renzo共同撰写了这项研究。

磁性之谜

该团队最初的目标是模拟恒星从出生到坍缩再到黑洞形成的过程。通过他们的模拟，该团队计划研究黑洞的外流，比如产生伽马射线爆发的喷流。然而，Gottlieb的团队在模型方面遇到了问题。

Gottlieb说：“我们不确定如何模拟中子星坍缩到黑洞期间这些磁场的行为。”。“所以，这是我第一次开始思考的问题。”

关于黑洞及其磁性有一些理论，但在考虑黑洞喷流和伽马射线爆发的功率时，似乎没有一个理论是成立的。

戈特利布说：“人们认为，坍缩恒星的磁场正在坍缩成黑洞。”。“在这种坍塌过程中，这些磁场线在压缩时会变得更强，因此磁场的密度会变得更高。”

这种解释的问题在于，恒星中的强磁性会导致恒星失去自转。如果没有快速旋转，新生黑洞就无法形成吸积盘——黑洞周围的气体、等离子体、尘埃和粒子流——也无法产生我们观察到的喷流和伽马射线爆发。

戈特利布说：“这似乎是相互排斥的。”。“形成喷流需要两样东西：一个强磁场和一个吸积盘。但是，通过这种压缩获得的磁场不会形成吸积盘，如果你将磁性降低到可以形成吸积盘的程度，那么它就不足以产生喷流。”

这意味着发生了其他事情，科学家们的目标是通过直接找到源头来找出它是什么：黑洞的母体。

解释黑洞如何继承磁性的信息图。来源：uux.cn露西阅读Ikkanda/西蒙斯基金会

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黑洞的磁性母体：中子星

科学家们意识到，也许之前对坍缩中子星的模拟并不能提供全貌。

Gottlieb说：“过去的模拟只考虑了孤立的中子星和孤立的黑洞，在坍缩过程中，所有的磁性都消失了。然而，我们发现这些中子星和黑洞一样，都有自己的吸积盘。”。

“所以，这个想法是，也许吸积盘可以保存中子星的磁场。这样，一个黑洞就会形成，其磁场线与中子星相同。”

该团队的计算表明，当中子星坍缩时，在其所有磁场被新形成的黑洞吞噬之前，中子星的圆盘被黑洞继承，其磁场线被锚定。

Gottlieb说：“我们对这些系统中预期的典型值进行了计算，在大多数情况下，黑洞盘形成的时间尺度比失去磁性的黑洞的时间尺度短。”。“因此，这个圆盘使黑洞能够继承其母亲中子星的磁场。”

对整个宇宙的影响

Gottlieb对这一新发现感到兴奋，不仅因为它解决了一个长期存在的谜团，还因为它为进一步研究喷气式飞机打开了大门。

他说：“这项研究改变了我们对什么类型的系统可以支持射流形成的看法，因为如果我们知道吸积盘意味着磁性，那么从理论上讲，你所需要的就是早期形成的吸积盘来为射流提供动力。”。“我认为，既然我们知道了这一点，重新思考恒星群和喷流形成之间的所有联系对我们来说将是有趣的。”

Gottlieb认为团队科学和CCA的能力使这项工作成为可能。

他说：“这是一项多学科合作，使我们能够从不同方向解决这个问题，并形成恒星坍缩后演化的连贯图像。”。

“CCA丰富的计算资源使我们能够比以往任何时候都更一致地模拟坍塌。我认为这两个方面导致了一种创新的方法。”