黑洞是一种迷人的宇宙实体，其特征是引力如此之强，以至于光线一旦进入黑洞的视界就无法逃脱。然而，有趣的是，一百多年前，人们发现，在视界之外，黑洞可以产生强大的物质和能量流，被称为喷流，其传播速度几乎和光速一样快。望远镜观测显示，这些喷流以聚焦流的形式直接向外延伸，类似于激光束，其中一些喷流的长度超过了整个星系。

自从发现喷流以来，包括诺贝尔奖得主罗杰·彭罗斯爵士在内的许多学者都研究了这些神秘现象的形成。目前，有两种主要的模型试图解释喷流的形成：“BZ-jet”模型，以研究人员Blandford和Znajek的名字命名，现在是最具影响力的模型，它假设喷流是通过连接到黑洞视界的磁场线从黑洞中提取自旋能量形成的。与此相反，第二个模型假定喷流是通过从黑洞吸积盘中提取旋转能量而形成的。后者是电离气体的集合，由于其强大的引力而围绕黑洞旋转。第二个模型可以被描述为“Disk-jet”模型。

对喷流形成模型的评价

尽管BZ-jet模型已经被其他研究人员用来模拟一般的相对论准直外流（实际上是喷流）。但目前尚不清楚BZ-jet模式是否能解释实际喷流的观测形态，包括其细长的结构、宽度和边缘增亮，即喷流边缘附近亮度的增加。

为了验证这两个模型的有效性，由中科院上海天文台袁锋博士领导的一个国际研究小组，计算了这两个模型分别预测的室女座巨型星系梅西耶87 （M87）中心超大质量黑洞的喷流。然后，研究小组将其计算结果与M87喷射流的实际观测结果进行了比较，M87喷射流被记录在事件视界望远镜（EHT）捕捉到的第一张黑洞图像中。研究小组的研究表明，BZ-jet模型准确地预测了观测到的M87喷射的形态，而Disk-jet模型则难以解释观测结果。这项研究发表在《科学进展》杂志上。

方法及调查结果

在方法方面，该团队首先采用三维广义相对论磁流体动力学（GRMHD）模拟来重现M87射流的结构。为了计算模拟射流的辐射并与观测结果进行比较，辐射电子的能谱和空间分布是至关重要的。该团队假设电子加速是通过“磁重联”发生的，即磁能转化为动能、热能和粒子加速的过程。基于这一假设，该团队结合了粒子加速研究的结果，利用动力学理论来求解稳态电子能量分布方程。然后，得到了模拟喷流不同区域的能谱和电子数密度。

将这些信息与吸积模拟相结合 —— 包括磁场强度、气体等离子体温度和速度 —— 研究小组得到的结果可以与实际观测结果进行比较。结果表明，BZ-jet模型预测的喷流形貌与M87观测到的喷流形貌非常吻合，包括喷流宽度、长度、边缘增亮特征和速度。相反，Disk-jet模型的预测与观测结果不一致。

此外，研究小组分析了磁重联过程，发现这是由于M87黑洞吸积盘磁场产生的磁爆发。这些喷发对磁场造成了强烈的干扰，这种干扰可以传播很长一段距离，导致喷流中的磁重联。

这项工作弥补了喷流形成的动力学模型和各种观测到的射流特性之间的差距，提供了第一个证据，证明BZ-jet模型解决了喷流的能量问题，并解释了其他观测结果。

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