天文学家揭开黑洞吞吐之谜
2014-11-02 00:32:26   来源:化石网   评论:0 点击:

  吞:由黑洞和正常星球组成的双星系统的X射线光谱表明数百万的气体旋风围绕黑洞在打旋,使大部分的热气以螺旋形向黑洞内部扩展,约有30%的气体被驱散到宇宙中。  吐:J1655黑洞驱动的磁场风,因磁场压力使
天文学家揭开黑洞吞吐之谜 磁场施展吸心大法

 

  “吞”:由黑洞和正常星球组成的双星系统的X射线光谱表明数百万的气体旋风围绕黑洞在打旋,使大部分的热气以螺旋形向黑洞内部扩展,约有30%的气体被驱散到宇宙中。

 

天文学家揭开黑洞吞吐之谜 磁场施展吸心大法

 

  “吐”:J1655黑洞驱动的磁场风,因磁场压力使气体向圆盘上和向圆盘外扩张,带走能量(模拟图)。

 

    一直以来,科学家们都知道,宇宙黑洞是靠狂吞周围星体的物质来不断膨胀,但它如何吞噬、又如何消化这些物质,一直是个谜。最近以美国密歇根大学的天文学助教乔恩·米勒为首的科学小组找到了答案:他们通过钱卓拉X射线望远镜在我们星系中发现了一个黑洞,分析黑洞周围气体所散发的X射线,从而揭开了宇宙的一大谜团———黑洞吞吐之谜:那就是“吞”下去的,最终必然会“吐”出来。只有这样,宇宙才可能保持物质能量的平衡。此发现刊登在6月29日出版的英国《自然》杂志上。

  这次被发现的黑洞体系被命名为J1655。米勒表示:“根据星系际规则,J1655是我们的邻居,因此我们能够通过它了解所有黑洞的功能,包括我们在类星体中发现的奇怪现象。”

  磁场帮助黑洞施展“吸心大法”

  米勒发现,这个黑洞体系靠强大的磁场引力而不是重力来不断吸收周围星体的物质(气体与灰尘)进入自己的圆盘。在此过程中,这些物质开始脱离原本的运行方向并向黑洞偏离,由此形成“角动量”(描述物体绕轴运动的物理量),也就是说,黑洞可以由此源源不断地吸收物质和能量。被改变方向的气体使黑洞周围逐渐形成一个个越来越大、被称作“加速区”的圆环,就像土星环一样。在“加速区”里,大量炽热气体绕着黑洞旋转。

  随着物质越吸越多,黑洞必须分流已有的角动量,以便为持续涌进的物质能量提供空间。打个比方说,就像一个巨大的水车,为了保持旋转,它必须在装入水的同时释放出等量的水。黑洞也是如此,它必须在吸收物质的同时释放出相应的能量。

  30多年来,科学家们一直认为圆盘内磁性物质之间产生摩擦,使圆盘从内向外形成风流,并使外部气体向内扩散。现在钱卓拉X射线望远镜向我们提供了一个关键性的证据,即磁力在黑洞形成进程中占据重要地位。

  两种方式助黑洞往外“倾吐”

  米勒发现,当圆盘被这些物质的摩擦力所压缩时,就会使圆盘加热,并释放X射线。不过,天文学家很久以来都知道仅仅靠摩擦力是不足以让气体脱离黑洞的。在气体能螺旋进入黑洞前,气体必须释放其轨道角动能,才能“逃离”黑洞,否则只会留在围绕黑洞的轨道上运动。

  事实上,除了摩擦力外,磁场风也能帮助黑洞释放物质能量。米勒小组发现,旋转的磁场风在“加速区”中可达到每秒500公里的高速度,部分物质能量因此被它“驱赶”回宇宙空间。最终,研究小组认为,分子摩擦和磁场风使吸入黑洞的物质能量和被释放的物质能量得以平衡。

  为了证明他们的理论,米勒和同事用电脑模拟了磁场风,再通过钱卓拉X射线望远镜观测银河系黑洞风,并比较两者的特性。最终,钱卓拉X射线望远镜发回的数据显示,黑洞风的运行方式与电脑模拟的磁场风完全相同。这个结果让米勒等人非常兴奋,不过米勒仍然冷静地表示,证明磁场风的存在仍只是他们探索黑洞成长迈出的第一步。

  不过,直到现在,科学家还不清楚角动能是如何被释放的,但他们怀疑是因为圆盘的磁动荡导致的。圆盘的动荡产生摩擦力,形成一股从里到外走的风,风带走角动能,由此让物质落入黑洞。

  黑洞仍然存在许多未解之谜

  米勒在接受采访时表示,此发现是了解黑洞增长的重要一步,其潜在意义很深远。此工作对寻找其他类似星体增长的磁场角色也很重要,如中子星和白矮星,将引发更多的天文学家研究其他类似星体的增长,看它们是否也有磁性圆盘产生的磁场风。

  不过,虽然此认识很重要,但只是第一步。“我们需要更多精细观察。钱卓拉X射线望远镜让我们有了重要的一瞥,未来的发射将有更加详细的细节来证实黑洞的吞噬。”包括圆盘磁场如何工作?有多少物质进入了黑洞?作用如何?磁场是不是有一个像蛇一样盘绕黑洞的阶段?后面的是不是像箭猪的刚毛一样从圆盘伸出一个东西来?等等。-编译/王金元

  知识链接

  黑洞是个洞吗?

  “黑洞”很容易让人望文生义地想像成一个“大黑窟窿”,其实不然。所谓“黑洞”,就是这样一种天体:它的引力场是如此之强,就连光也不能逃脱出来。根据广义相对论,引力场将使时空弯曲。当恒星的体积很大时,它的引力场对时空几乎没什么影响,从恒星表面上某一点发的光可以朝任何方向沿直线射出。而恒星的半径越小,它对周围的时空弯曲作用就越大,朝某些角度发出的光就将沿弯曲空间返回恒星表面。

  等恒星的半径小到一特定值时,就连垂直表面发射的光都被捕获了。到这时,恒星就变成了黑洞。说它“黑”,是指它就像宇宙中的无底洞,一般都认为,任何物质一旦掉进去,“似乎”就再不能逃出。

  话外音

  难倒霍金的黑洞

  1975年,英国著名物理学家史蒂芬·霍金提出“黑洞悖论”,声称黑洞形成后,开始向外辐射能量,最终将因为质量丧失殆尽而消失。一旦黑洞消失,吸入黑洞中的信息也就丧失了。这个理论让霍金一举成名。然而在2004年7月, 霍金推翻了29年前自己的理论。他表示,黑洞不会将进入其边界的物体的信息淹没,反而会将这些信息“撕碎”后释放出去。

  相关发现

  天空因黑洞而星光灿烂

  晴朗的夜晚,人们遥望星空,天上有的星星为何如此明亮?科学家估计,自大爆炸以来,宇宙中一半的射线都来自黑洞没有吞噬成功的物质,包括最亮的类星体。这些被黑洞“放弃”的物质带着光芒流失到宇宙中,形成了星光闪闪的星球。也就是说,是黑洞照亮了宇宙。

  钱卓拉X射线望远镜获得的最新数据首次显示了黑洞高密度的磁场是产生这种强烈光亮现象的关键所在。


来源:北青网—北京科技报 2007-01-12

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