天文学家对质量为太阳65亿倍的超大质量黑洞M87*展开研究，发现这些宇宙巨兽释放能量的新方式。

法兰克福歌德大学的科学家借助前沿模拟技术揭示：不仅磁场本身，一种名为“磁重联”的过程，亦能从旋转的黑洞中汲取能量，进而喷射出绵延数千光年的物质喷流。这些以接近光速飞驰的巨型宇宙光束，将能量与物质播撒至星系各处，深刻影响着星系的演化进程。

从“无星星云”到巨型星系

近200年来，天文学家们一直无法确定室女座中那个明亮天体的真实性质。1784年，查尔斯·梅西耶将其记录为“87：无星云团”。这个看似朦胧的光斑，后来被证实是一个巨大的星系。1918年，当人们发现从其中心射出一道神秘的光束时，科学家们对其成因一无所知。

在这片广袤无垠的星系核心，如今被命名为M87的星系中，潜藏着一个超大质量黑洞——M87*，其质量约为太阳的六十五亿倍。此黑洞高速自转，其旋转之力驱动着一股带电粒子流，以近乎光速的速度喷射而出，绵延约五千光年之遥，直抵浩瀚宇宙深处。在其他自转的黑洞周围，亦能观测到类似的粒子喷流，它们助力能量与物质在宇宙间播散，塑造着星系的成长轨迹。

破解黑洞能量之谜

由卢西亚诺·雷佐拉（Luciano Rezzolla）教授领衔的法兰克福歌德大学研究团队，开发出一种名为“法兰克福黑洞时空粒子模拟算法”（FPIC）的新型计算工具。该模拟算法能够精准构建旋转黑洞将自身转动能量转化为强有力喷流的物理模型。研究团队发现，除长久以来被公认为黑洞通过磁场提取转动能量的“布兰福德-兹纳耶克机制”外，另一关键过程——磁重联现象同样发挥着重要作用。这一现象表现为磁场线断裂并重新连接，将磁能转化为热能、辐射能以及等离子体爆发。

研究团队运用FPIC代码，模拟了受黑洞周围强大引力影响的无数带电粒子及极端电磁场的行为表现。该代码的主要开发者克劳迪奥·梅林戈洛博士解释道：“模拟此类过程，对于理解紧凑天体附近弯曲时空中相对论性等离子体的复杂动力学特性至关重要，而这一特性正是由极端引力场与磁场的相互作用所决定的。”

运行这些模拟需要非凡的计算资源，在法兰克福的“歌德”超级计算机和斯图加特的“鹰”超级计算机上，总计耗费了数百万个中央处理器（CPU）小时。要解决阿尔伯特·爱因斯坦广义相对论框架下的麦克斯韦方程组以及电子和正电子的运动方程，就需要如此巨大的算力。

等离子链与负能量

研究人员通过计算发现，在黑洞的赤道平面上，存在着强烈的磁重联活动，进而形成一连串的等离子体团——这些等离子体在能量“气泡”中凝聚——以近乎光速的速度移动。科学家指出，这一过程伴随着负能量粒子的产生，这些粒子为喷流和等离子体喷发等极端天体物理现象提供了能量。

参与FPIC项目的菲利波·卡米洛尼博士表示：“我们的研究成果揭示了一个引人入胜的可能性，即布兰福德-兹纳杰克机制并非唯一能够从黑洞中提取旋转能量的天体物理过程，磁重联现象同样也发挥着作用。”

照亮宇宙中最明亮的引擎

雷佐拉表示：“通过我们的研究，我们能够展示如何从旋转黑洞中高效提取能量，并将其引导至喷流之中。这有助于我们解释活动星系核的极端亮度，以及粒子加速至接近光速的现象。”他补充道，运用精密数值代码来更好地理解黑洞附近发生的情况，是一件令人兴奋不已、着迷至极的事情。“与此同时，能够通过严谨的数学方法来阐释这些复杂模拟的结果——正如我们在研究中做到的那样——更是令人倍感满足。”

参考文献：克劳迪奥·梅林戈洛（Claudio Meringolo）、菲利波·卡米洛尼（Filippo Camilloni）与卢西亚诺·雷佐拉（Luciano Rezzolla）所著《从克尔黑洞中提取电磁能：从头算起》（*Electromagnetic Energy Extraction from Kerr Black Holes: Ab Initio Calculations*），发表于2025年10月6日《天体物理学杂志快报》（*The Astrophysical Journal Letters*）。 DOI：10.3847/2041-8213/ae06a6