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        1. 黑洞能肆無忌憚地吞噬物質?錯!磁囚禁吸積盤了解一下

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          浩瀚深邃的宇宙空間吸引無數科學家窮盡一生去探索。其中最神秘的,便是隱藏在黑暗中的幽深“洞穴”——黑洞。作為現代物理學的極限天體,黑洞的強大引力讓其如宇宙中的饕餮巨獸一般吞噬一切,連光都無法逃脫。早在1783年,英國科學家米歇爾(John Michell)就曾提出,“如果一個天體的密度和太陽一樣,大小是太陽的500倍,那么光都無法從這個天體逃脫”。同時代,1796年,法國科學家拉普拉斯(Pierre-Simon Laplace)在他的《宇宙體系論》中也給出了類似的預言。1799年,他給出了詳細的計算過程,得到“一個密度和地球一樣(太陽密度的4倍),大小是太陽250倍的天體可以把光囚禁”。愛因斯坦的廣義相對論也預言了存在這樣的天體。在1967年的一次會議上,美國物理學家惠勒 ( John Wheeler),把這種天體稱為“黑洞”(black hole)。

          而如今,科學家們在探究黑洞奧秘的道路上不斷邁進。日前,我國天文學家利用多波段觀測數據,揭示了黑洞周圍的磁場輸運和磁囚禁盤的形成過程,該項研究9月1日發表在世界權威的學術期刊《科學》(Science)上。

          01 我們能看到黑洞嗎?能!吸積讓我們“看到”黑洞

          黑洞周圍的物質會由于巨大的引力作用被黑洞“捕獲”,這個現象稱為“黑洞吸積”。被吸積的物質不是像自由落體一樣掉入黑洞,而是會形成一個吸積盤并圍繞黑洞旋轉,最終被黑洞吞噬(想象一下你家虹吸式抽水馬桶的水)。

          大質量恒星最終會演化成黑洞,其質量是太陽的幾倍到二三十倍。在兩顆恒星相互繞轉的雙星系統中,如果其中一顆恒星演化成了黑洞,當另一顆恒星足夠靠近黑洞時,它的物質就會被黑洞吸積,形成的吸積盤溫度很高,最內區甚至達到上千萬度,會輻射出非常強烈的X射線,因此這類雙星被稱為黑洞X射線雙星。當然,它們的輻射不僅在X射線,而是幾乎覆蓋全部電磁波段。

          天文學家估計,在我們銀河系中可能有上千萬顆黑洞存在于雙星系統中,但是迄今為止,我們僅僅發現了幾十顆??赡?strong>它們中的絕大多數并沒有從伴星吸積物質或者吸積極少的物質,因此我們“看不到”。

          大部分的黑洞X射線雙星長時間處于寧靜狀態,只有很少的物質被黑洞吸積。隨著物質在吸積盤中積累,當達到某個臨界點時,觸發了吸積盤的不穩定性,進入爆發態,大量的物質進入吸積盤內區,輻射出強烈的X射線,最終掉入黑洞。爆發時的亮度會比寧靜態增加上萬倍甚至上百萬倍。

          2018年3月,距離我們大約一萬光年的黑洞X射線雙星MAXI J1820+070進入了爆發態,在爆發峰值附近的時候是天空中最亮的X射線源 (見視頻1)。全球各地的很多望遠鏡都監測了這次爆發,包括射電、紅外、光學、紫外、X射線和伽馬射線。我國第一顆X射線天文衛星慧眼也對這次爆發進行了持續地監測?;谶@些大量的觀測數據,天文學家們得以研究黑洞性質以及黑洞的吸積和噴流。

          視頻1:每一個圓點都是一個X射線源,圓點的大小代表了亮度。紅色圓點是黑洞X射線雙星MAXI J1820+070,下面的曲線是它的亮度隨時間的變化 (銀河系背景來自ESA/Gaia/DPAC)。

          02 吸積盤怎么動?能吸積多少物質?黑洞周圍的磁場“話語權”很大!

          磁場在宇宙中無處不在,我們的太陽就擁有磁場,平靜區域的磁場大概1-2高斯,黑子區域的磁場可以達到三四千高斯。一種被稱為磁星的天體擁有宇宙中最強的磁場,可以達到10的15次方高斯。

          根據黑洞無毛定理,黑洞本身是不帶磁場的,被黑洞吸積的物質通常是等離子體狀態,它們是攜帶磁場的,這些無序的微觀磁場可以使物質損失角動量,才會逐漸掉入黑洞。

          人們認為黑洞周圍應該還存在大尺度磁場,其中一個重要的原因就是噴流的產生需要大尺度磁場。帶電粒子在這種大尺度磁場中運動,產生的輻射會有偏振,通過射電的偏振觀測我們知道了在超大質量黑洞的噴流中確實存在大尺度磁場。

          在2021年發布的M87星系中心超大質量黑洞的偏振照片中,發現黑洞附近也存在大尺度磁場 (圖1)。對于銀河系內的黑洞X射線雙星,雖然它們距離更近,但是由于黑洞尺度太小,我們現在的望遠鏡還無法對其成像。

          大尺度磁場的存在會對黑洞附近的吸積流產生顯著影響,比如徑移速度(徑移就是朝向黑洞移動)和吸積率(單位時間內吸積的質量),還會產生很強的外流(物質向外運動)。因此磁場的存在會帶來很多其他的觀測效應。

          圖1. M87星系中心超大質量黑洞極其噴流的偏振觀測圖像,彎曲的亮條紋顯示了大尺度磁場的分布。上面是1300光年尺度的噴流,中間是0.25光年尺度的噴流,下面是黑洞周圍0.0063光年(400 AU)尺度的圖像。(圖片來自: EHT Collaboration; ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Goddi et al.; VLBA (NRAO), Kravchenko et al.; J. C. Algaba, I. Martí-Vidal)

          03 “瘋狂”的吸積——磁囚禁吸積盤的形成

          天文學家普遍認為吸積盤的外區存在比較弱的大尺度磁場,會隨著吸積流向內運動。由于黑洞只會“吞噬”物質,并不會“吞噬”磁場,因而磁場會在黑洞附近堆積,逐漸增強。

          有一種吸積流,叫做“徑移主導”吸積流(advecction dominated accretion flow, ADAF),顧名思義,在這種吸積流中,物質掉入黑洞的速度非???。外部的微弱磁場會被吸積流拖拽著,快速地在黑洞附近增強。當磁場對吸積物質的電磁力能夠和黑洞引力抗衡時,會大大降低物質掉入黑洞的速度,可能只有原來速度的十分之一甚至百分之一,就像被磁場囚禁了一樣,被稱為磁囚禁吸積盤,magnetically arrested disk (MAD) ——“瘋狂”吸積流。

          武漢大學、浙江大學和中國科學院上海天文臺等科研單位的研究人員,分析了黑洞X射線雙星MAXI J1820+070爆發的多波段數據,揭示了徑移主導吸積流逐漸擴張并且輸運磁場的過程,計算結果表明,它的大小在十幾天內膨脹了30倍,尺寸越大,越容易把外部的弱磁場快速地帶入吸積流內區,最終使得最內區的磁場強度達到了磁囚禁吸積盤標準 (視頻2)。

          視頻2,隨著徑移主導吸積流的膨脹,磁場被快速帶入吸積流內區,最終形成磁囚禁吸積盤(MAD)。視頻來自論文https://doi.org/10.1126/science.abo4504。

          看似與日常生活毫不相關的黑洞,是研究宇宙起源、演化和結構的關鍵問題之一,并深遠地影響了科學、技術乃至人類生產生活方式的進步。如今,人類對時空的理解還遠未到盡頭。對未知的探索,正驅使著科學家們勇于嘗試打破宇宙極限思考的禁錮,從而產生更多偉大的發現。

          作者:閆震 中國科學院上海天文臺 研究員

          審核:游貝 武漢大學物理科學與技術學院 副教授

          出品:科普中國

          監制:中國科學技術出版社有限公司、中科數創(北京)數字傳媒有限公司

          評論
          科普:長春春
          大學士級
          宇宙空間千變萬化,探索太空宇宙,了解更廣闊的空間!
          2023-09-12
          love蘿
          學士級
          對未知的探索,正驅使著科學家們勇于嘗試打破宇宙極限思考的禁錮,從而產生更多偉大的發現。
          2023-09-13
          上溝
          學士級
          在兩顆恒星相互繞轉的雙星系統中,如果其中一顆恒星演化成了黑洞,當另一顆恒星足夠靠近黑洞時,它的物質就會被黑洞吸積,形成的吸積盤溫度很高,最內區甚至達到上千萬度,會輻射出非常強烈的X射線,因此這類雙星被稱為黑洞X射線雙星。
          2023-09-12
          韩国女主播裸奶头大尺度,久久久精彩视频,欧美99综合网,国产一级二级三级视频
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