赫爾辛基大學的科學家利用詳細的超級電腦模擬，對黑洞周圍的輻射、等離子體和磁場之間的相互作用進行了建模。結果發現，磁場引起的混亂運動（或稱為湍流）會加熱當地的等離子體，使其產生輻射。

視覺化展示了湍流等離子體如何在磁化吸積盤日冕中移動。圖片來源：Jani Närhi

當一顆大恆星坍縮成如此密集的質量，其引力甚至使光都無法逃離其影響範圍時，黑洞就產生了。這就是為什麼我們不能直接觀測黑洞，而只能透過黑洞對環境的間接影響來觀測黑洞的原因。

大多數觀測到的黑洞都有一顆伴星，與之形成雙星系統。在雙星系統中，兩個天體互相繞行，伴星的物質緩慢地螺旋狀進入黑洞。這種緩慢流動的氣體流通常會在黑洞周圍形成一個吸積盤，這是一個明亮的、可觀測到的X 射線源。

自1970 年代以來，人們一直在嘗試對黑洞周圍的吸積流所產生的輻射進行建模。當時，X 射線已經被認為是透過當地氣體和磁場的相互作用產生的，類似於太陽耀斑透過磁場活動加熱太陽周圍環境的原理。

“黑洞吸積盤中的耀斑就像是極端版本的太陽耀斑，”副教授約納斯-奈蒂萊（Joonas Nättilä）說。 Nättilä 是赫爾辛基大學計算等離子體天文物理學研究小組的負責人，該小組專門研究這種極端等離子體的建模。

模擬結果表明，黑洞周圍的湍流非常強大，甚至量子效應對於等離子體動力學也變得非常重要。

在電子-正電子等離子體和光子的模型混合物中，當地的X 射線輻射可以變成電子和正電子，當它們接觸時，又會湮滅成輻射。

奈蒂萊描述了電子和正子作為彼此的反粒子，通常不會出現在同一個地方。然而，黑洞周圍極高的能量使得這一切成為可能。一般來說，輻射也不會與等離子體產生交互作用。然而，黑洞周圍的光子能量極高，它們之間的相互作用對等離子體也很重要。

「在日常生活中，人們當然不會看到這種物質突然出現以代替極亮光線的量子現象，但在黑洞附近，這種現象就變得至關重要了，」奈蒂萊說。 “我們花了數年時間來研究自然界中出現的所有量子現象並將其添加到模擬中，但最終這一切都是值得的。”

研究表明，湍流等離子體自然會產生從吸積盤中觀測到的那種X 射線輻射。模擬也首次發現，黑洞周圍的等離子體可能處於兩種截然不同的平衡狀態，這取決於外部輻射場。在一種狀態下，等離子體是透明的、冷的，而在另一種狀態下，等離子體是不透明的、熱的。

“黑洞吸積盤的X 射線觀測結果顯示，所謂的軟態和硬態之間也存在同樣的變化，”Nättilä 指出。

這項研究發表在備受推崇的《自然-通訊》雜誌上。研究中使用的模擬是首個包含輻射與等離子體之間所有重要量子相互作用的等離子體物理模型。

編譯自/ ScitechDaily