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黑洞研究获突破 科学家揭示黑洞吸积和喷流形成的新方式

 boxuemingshi 2015-11-28

黑洞研究取得突破性进展 科技世界网

 

人们都知道黑洞能吞噬一切物质,实际上,黑洞在吞噬物质的过程中有时也会产生向外的喷流。此前天文学家普遍认为黑洞吞噬物质产生高速喷流时会伴随硬X射线辐射,日前,中国科学家的一项研究打破了这一认知。

氢元素发射线 科技世界网由中国科学院大学天文与空间科学学院教授、国家天文台研究员刘继峰领导的团队,在国际上首次从黑洞周围形成的超软X射线源中发现了相对论性高速喷流。这一发现打破了天文学界以往的认知,揭示了黑洞吸积和喷流形成的新方式,成果发表在北京时间2015年11月26日出版的《自然》杂志上。

黑洞无法直接观测,科学家们只能“迂回”地通过其他现象来研究黑洞,吸积与喷流就是其中重要的研究内容。刘继峰介绍,物质在被黑洞吞噬的过程中,会形成吸积盘。吸积物质在盘内不断摩擦发热,产生X射线,“能量高的X射线,被称为硬X射线;能量低的则被称为软X射线”。而黑洞在吞噬物质的过程中,有时也会产生向外的喷流。但传统理论认为,只有在伴随硬X射线时,才会产生相对论性高速喷流,而在超软X射线辐射时,则不会产生喷流。刘继峰说:“科学家们曾猜想或许有一种意外,就是黑洞吞噬了太多物质后,也可能在超软X射线辐射时出现相对论性高速喷流。但这种猜想从未被证实过。”

M81星系 科技世界网刘继峰带领的团队对M81星系中一个黑洞导致形成的极亮超软X射线源进行了光谱研究,首次发现其光谱中具有高度蓝移的氢元素发射线,“这就代表着一股高速喷流正向着地球方向喷发过来”。研究人员发现,这是速度达到0.2倍光速的相对论性重子喷流。

这一发现让天文学界为之震动。美国科学院院士、英国皇家学会院士、哈佛大学终身教授瑞麦什·拿拉岩评论说:“在超软X射线源中发现相对论性喷流出乎所有人的意料,这改写了我们对超软X射线源的本质和喷流形成的认知”,“而它的观测特征和人们对黑洞处于极高吸积率态的猜想及新近的数值模拟结果相符合,生动展示了黑洞过量吞噬物质时产生高速重子喷流和浓密的吸积盘风的情况。”

国家天文台台长严俊表示,这项工作是刘继峰团队继2013年11月在《自然》杂志上发表X射线极亮源的研究成果后,在黑洞研究领域的又一突破性的重大天文发现。近年来,中国天文学家不断在《自然》等杂志发表重要科学成果,表明中国天文学整体研究水平正逐步提升。

 

黑洞:太空中最自私的怪物

提起“黑洞”一词,总会引来许多天文爱好的无限遐想。那么,究竟什么是“黑洞”呢?

黑洞 科技世界网“黑”,表明它不会向外界发射或反射任何光线,也不会发射或反射其他形式的电磁波——无论是波长最长的无线电波还是波长最短的γ射线。因此人们无法看见它,它绝对是“黑”的。“洞”,说的是任何东西只要一进入它的边界,就休想再溜出去了,它活像一个真正的“无底洞”。

随着科学的发展,人们对黑洞的认识也越来越深入。如今,关于黑洞的更准确的说法是:“黑洞是广义相对论预言的一种特殊天体。它的基本特征是有一个封闭的边界,称为黑洞的‘视界’;外界的物质和辐射可以进入视界,视界内的东西却不能逃逸到外面去。”正因为黑洞如此“只进不出、贪得无厌”,所以才有了一个不雅的外号:“太空中最自私的怪物”。

但出乎人们意料,黑洞这个“怪物”,有时候竟然还十分“慷慨”。在20世纪70年代,英国科学家霍金等人以量子力学为基础,对黑洞作了更缜密的考察,结果发现黑洞会像“蒸发”那样稳定地往外发射粒子。考虑到这种“蒸发”,黑洞就不再是绝对“黑”的了。霍金还证明,每个黑洞都有一定的温度,而且质量越小的黑洞温度就越高,质量越大的黑洞,其温度反而越低。大黑洞的温度很低,蒸发也很微弱;小黑洞的温度很高,蒸发也很猛烈,类似剧烈的爆发。

 

中国科学家造出第一个“人造电磁黑洞”

2009年10月15日,《科学》杂志宣布,世界上第一个“可吸收电磁波的微波人造黑洞”在中国东南大学实验室里诞生。

人们对黑洞这种天体感到好奇,但绝不会希望有任何一个黑洞接近自己,或我们的星球。有一些科学家在自己的实验室里造出了一个“迷你小型”黑洞。制造出“人造黑洞”的是中国东南大学的一个研究组,崔铁军教授和程强教授是其中最主要的两位研究者。

人造电磁黑洞 科技世界网“实际上,我们做的黑洞不是严格意义上的黑洞。”程强说。实验室里的“人工黑洞”,目的当然不是为了将一个吞噬一切的“恶魔”装进口袋。据程强介绍,存在于东南大学毫米波国家实验室的“人造黑洞”,实际上是一个模拟装置,这种模拟装置可以吸收微波频段的电磁波,在未来,它还可以吸收光。

但是除此之外,它并不能吸收任何实质的东西。“它只吸收电磁波,不吸收能量。”程强说。这是一个不具有危险性的“黑洞”,不仅如此,这种装置还能在未来用于收集太阳能。在这方面,“人造黑洞”将比世界上任何一种太阳能电池板都更高效。

一些物理爱好者甚至为这种全新的装置设计了一些新功能,比如将它装置在航天器中的太阳帆上,或者用来吸收空气中游散的电磁波——因为手机和无线网络的普及,这种看不见的电磁波据说侵害了我们的健康,成为一种新的污染。不过,制造“黑洞”的研究者却从来不想那么多,崔铁军和程强正在继续的,是如何把实验室里的装置变成样机,“实现工程化”。

 

“黑洞”其实并不黑暗

美国宇航局最近发现了一颗距离125亿光年的巨大黑洞,而它竟然比太阳亮三百万亿倍!

这个发光总量超过300万亿个太阳的遥远星系是迄今发现的最亮星系,它隶属于最近才被美国宇航局“宽视野红外巡天探测器(WISE)”发现的新天体分类——极亮红外星系(ELIRGs)。

极亮红外星系 科技世界网“我们看到的是星系演化中一个非常旺盛的阶段,”该项研究的主导者,美国宇航局喷气推进实验室的蔡肇伟(Chao-Wei Tsai)说,“如此耀眼的光芒可能来自于星系内黑洞的爆发式生长。”

这个编号为WISE J224607.57-052635.0的明亮星系腹内可能有一个正在吞食气体的巨大黑洞。气体等物质在超大质量黑洞引力的作用下,会在其周围形成一个积吸盘。积吸盘的温度高达上百万度,能够爆发出高能可见光、紫外线和X射线。光线通常被周围的尘埃茧遮挡。但是随着温度升高,尘埃会辐射出红外线。

巨大的黑洞通常存在于星系核内,但是在如此“久远”的宇宙中发现这么大一个是极为罕见的。来自这个星系的光旅行了125亿年才到达我们眼中,因此我们看到的这个星系位于遥远的过去。在宇宙的年龄只有当前(138亿年)十分之一时,这个质量是太阳数十亿倍的黑洞就已经存在了。(如需转载,请注明来源自科技世界网


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