(北京大學 徐仁新 編譯自Meredith Fore. Physics，December 14，2018)

大規模數值模擬表明，超大質量黑洞可將粒子加速至極高能。

天體物理學家多年來一直懷疑，地面探測到的神祕的極高能宇宙射線(UHECR)可能來自活動星系核(AGN)，即星系中心超大質量黑洞。然而，那裏粒子的加速機制尚不清楚。最近，一個研究小組通過大規模模擬詮釋了一種加速機制。該結果支持UHECR 起源於AGN，但也有學者提醒說，要說明質子也能加速至如此高的能量，該模擬還有一定侷限性。

大多數宇宙線爲質子或原子核，能量約108eV。1960 年代以來地面探測發現能量高於1018eV 的UHECR，但不能確定它們的起源。最近發現一個高能中微子和伽馬射線耀發同時來源於一顆AGN；這是UHECR起源於AGN的有力證據(質子加速至極高能時既可產生高能中微子也能放出伽馬射線)。當然，UHECR 仍可能起源於其他場所，如相對論性超新星和伽馬射線暴。

天體物理噴流指沿大質量天體(例如AGN)自轉軸方向出射的離子束。在觀測和理論上，相對論性AGN 噴流(那裏的粒子以接近光速運動)都已被較好地研究。磁場儲存了噴流的絕大部分能量，並呈現螺旋結構。先前的模擬已經發現噴流等離子體是不穩定的：噴流因跟星際介質相互作用而扭曲(稱爲扭曲不穩定性)。

人們曾經推測類似的扭曲不穩定性也可以產生足夠強的電場讓粒子加速至極高能量，甚至認爲觀測到的γ 射線或X 射線就暗示這種結構的存在。不過，理論家們並不清楚具體的加速過程。

噴流的演化。在“共動”參考系中模擬從活動星系核(AGN)中噴出的一束粒子。由於存在扭曲不穩定性，有序磁場結構(左)逐漸演化至無序(右)，併產生軸向電場加速粒子

美國國家加速器實驗室SLAC的Frederico Fiuza 帶領的團隊決定更大規模地模擬AGN噴流。以前的模擬往往將噴流等離子體近似爲流體，這是一種粗略的描述；而Fiuza等則在單粒子層次上建模。SLAC團隊成員Paulo Alves 解釋說，該項目所需的強大運算能力使得其他研究人員望而卻步。

該團隊利用超級計算機進行模擬，在所謂的“ 共動”參考系中跟蹤5 千5百億個粒子。粒子從有序磁場區域出射後， 因發生扭曲不穩定性， 磁場位型逐漸變形、彎曲。在模擬噴流過程中， 研究人員關注不穩定性發生時等離子體的活動。

研究小組發現，磁場持續變形將會產生強大的電場。該電場一般沿着噴流的方向，垂直於環繞噴流的有序磁場。不過，因帶電粒子運動受磁力線約束，這種電場通常不能有效地加速帶電粒子。然而模擬發現，扭曲不穩定性導致磁力線充分纏繞，從而使得粒子可以穿越磁力線加速到足夠高的能量成爲UHECR。

“發現AGN噴流中存在的某種磁場結構有助於同時解釋高能輻射和高能宇宙射線的產生，這是我們最近的研究中特別令人興奮的一點”，Fiuza說。

“在將噴流中磁能轉化爲高能粒子的研究方面，我認爲這篇論文是一個重要進展”，馬里蘭大學等離子體物理學家James Drake 說。雖然模擬能夠產生強電場，但Drake 並不認爲質子會一直加速到1019 eV。他說，要獲得這樣的能量，必須模擬更實際的電子、正電子和質子混合等離子體，而Fiuza 等人的模擬只考慮了電子和正電子。

馬里蘭大學天體物理學家Marc Swisdak 也對此文印象深刻。他說，“這篇論文令人信服地描述了”一種新的加速機制；這種機制也可能在地球磁層或日冕中起作用，因此“該研究工作向前推進了一大步”。

更多內容詳見：E. P. Alves, J.Zrake， F. Fiuza. Phys. Rev. Lett.，2018，121：245101。

本文選自《物理》2019年第3期