鲁汶大学、科罗拉多大学博尔德分校、Flatiron研究所和威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员最近着手解答一个长期存在的研究问题，具体来说是黑洞和其他致密物体周围湍流中的带电粒子是否可以加速到非常高的能量。

他们的论文发表在《物理评论快报》上，概述了他们进行的大量模拟的结果，这些模拟证明了等离子体中自然发生的动能磁旋转湍流中粒子的非热加速。

“黑洞等离子体天体物理学领域的一个悬而未决的问题是：黑洞周围湍流中的带电粒子(例如电子和离子)能否加速到非常高的能量?”该论文的主要作者FabioBacchini告诉Phys.org。“这个问题对于我们理解黑洞周围发现的极端环境(例如最近由事件视界望远镜合作组织观测到的环境)具有非常深远的影响。”

为了回答关于湍流中带电粒子加速这一关键问题，巴奇尼和他的同事首先必须模拟黑洞周围极端环境中的湍流。这些独特环境的特点是所谓的磁旋转不稳定性(MRI)，这是一种强大的磁场放大过程，在受到黑洞周围环境中的剪切力和其他力作用的等离子体中自然发生。

“如果你把它看作一个孤立的过程，MRI会经历几个阶段，最终达到‘湍流饱和状态’(即MRI放大磁场的湍流状态，同时这些场也会通过耗散机制不断被破坏)，”Bacchini说。

“这种状态基本上可以永远维持，我们认为这是黑洞周围等离子体的常见状态。因此，我们设计了一个模拟程序，模拟了MRI演化到湍流阶段的过程。”

在模拟了MRI进入湍流之前的演变过程后，Bacchini和他的同事们准备着手解决他们最初的研究问题。然而，当他们模拟MRI的各个阶段时，他们模拟中的带电粒子已经受到了系统在进入湍流之前发生的动态的影响。

“你实际上无法回答这个问题，因为模拟中的粒子‘记住’了湍流状态之前发生的事情(包括它们得到的任何加速度)，并且它们在后续湍流中的演化与湍流前的阶段并不是不可知的，”巴奇尼说。

“这项工作的主要目的是研究湍流中的粒子加速，不受初始条件的影响，以便能够回答上述问题，而不会受到湍流前阶段的‘污染’，因为这种污染在自然界中不会以如此孤立的方式被观察到(但在模拟中必然会发生)。”

本质上，Bacchini和他的同事最近研究的主要目标是找到一种消除前湍流效应的有效策略，以便他们可以使用他们的模拟来选择性地测量湍流阶段粒子的加速度。

他们最终能够设计出一种方法(依靠物理驱动的辐射动力学)来抑制这些前湍流效应;然而，为了回答他们最初的研究问题，他们还必须获得尽可能大的物理系统尺寸。

巴奇尼说：“我们之前发现，在太小的物理系统中模拟MRI(尤其是如果不能捕捉三维效果)会产生非常不切实际的结果。”

“例如，如果系统尺寸太小，MRI甚至不会产生任何湍流。因此，我们需要非常大的3D模拟盒，比以前实现的任何模拟盒都要大得多。这意味着要有一个模拟代码，可以长时间运行如此大的模拟，然后在合适的超级计算机上实际运行模拟。”

Bacchini和他的同事连续数周在阿贡领导力计算设施(ALCF)的250,000多个CPU上高效地运行了他们的计算机代码。这使他们能够模拟一个足够大的系统，以真实再现MRI动态。

“MRI之前是通过‘流体’方法模拟的，”巴奇尼说。“这些理论模型对于捕捉大规模等离子体现象很有洞察力，但它们不包含单个粒子的信息(因此它们不能用于回答上述问题)。

“为了达到我们的目的，我们需要用‘动力学’方法模拟MRI，即捕捉单粒子动力学。为了真实，我们还需要在很长一段时间内演化出许多粒子(大约500亿个)。”

研究人员由此获得了MRI演化的第一原理描述。这一描述概述了大规模流体行为和粒子尺度现象，最终帮助他们解答了研究问题。

Bacchini和他的同事能够直接证明，无论初始模拟条件如何，粒子实际上都可以在MRI驱动的等离子体湍流中加速。在他们的模拟中，他们观察到粒子从相对较低的能量开始，与地球上常见的等离子体能量相当，但随后达到极高的能量，此时相对论效应开始发挥作用。

“基本上，这些粒子的速度非常接近光速，”巴奇尼说。“加速所需的能量来自磁场，磁场通过我们模拟的湍流级联耗散其能量库。

“人们普遍认为，黑洞周围的大规模磁场中储存着大量能量。这些磁场可以通过MRI等过程产生和放大，以黑洞引力为能源。

“我们的工作本质上表明，可以利用这种磁能和引力能，从而通过MRI驱动的湍流加速高能粒子。”

在巴奇尼及其同事模拟的极高能量下，粒子可以开始发射辐射(即光子)，这可以通过特定仪器观察到。一些物理学家认为，这是事件视界望远镜在一些超大质量黑洞(包括M87*)周围探测到的辐射类型。

“我们进行了迄今为止最大规模的带有动力学描述的MRI模拟，这也表明动力学如何在足够大的尺度上再现流体动力学，”Bacchini说道。“我们在这个方向上进行了诊断，例如观察到沿局部磁场方向或横向于局部磁场方向的粒子加速对整个湍流等离子体的角动量重新分配有很大贡献。

“这有助于我们理解‘吸积流’(即等离子流盘旋并缓慢落入黑洞)是如何存在的，因为吸积本身意味着角动量重新分配机制的存在。”

虽然近年来地球上的大型望远镜已经探测到黑洞周围的辐射，但其起源仍不太清楚。该研究小组进行的模拟可能有助于理解黑洞附近的辐射是如何产生的。

“了解这种辐射极其重要，因为辐射(光)携带着有关这些极端环境的信息，这是我们掌握的有关这些环境的少数信息来源之一。(我们实际上无法向黑洞发送探测器，因为地球附近没有黑洞......)”，巴奇尼解释道。

“更重要的是，通过了解黑洞附近的等离子体动力学和随后的辐射，我们可以获得有关黑洞本身、其质量、其自旋等的信息，这些信息都会影响等离子体动力学，我们会在模拟中将其考虑在内。”

Bacchini及其同事所采用的方法有可能丰富对黑洞附近等离子体动力学和辐射的理解，从而使物理学家能够间接检验爱因斯坦的广义相对论。不过，在实现这一目标之前，该团队需要运行各种其他模拟。

“这些运行采用了一些简化方法，以使其切实可行，”巴奇尼说。“最值得注意的是，为了简单起见，我们假设等离子体成分由电子和正电子对组成，它们具有相同的质量。这使我们能够在某种程度上仍然检索正确的全局动态并探测粒子加速度，但在现实系统中，必须考虑电子和(质量)更大的质子的存在。

“这会使所需的计算工作量增加几个数量级，因为不同质量的粒子会在不同的时空尺度上引起动力学现象，而你必须在模拟中捕捉所有这些尺度。”

鲁汶天主教大学的Bacchini团队目前正在进行更多更大规模的模拟，其中还包括电子和质子。他们希望这些模拟能让他们很快以更高的精度解决与近黑洞湍流中粒子加速有关的初始研究问题。

“未来研究的其他可能方向是在我们的模拟中直接纳入辐射过程(可以改变等离子体动力学本身)以及纳入分层(本质上考虑到等离子体改变远离黑洞赤道平面的密度)，”巴奇尼补充道。

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