欧博手机版下载:黑洞是什么样?它为什么有那么大的能量?怎么观察?

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2019年,天文学家们震惊了天下,他们宣布了一张史诗级的图片,照片中可以看到物质围绕着距离地球5500万光年的M87星系焦点的超大质量黑洞旋转。天文学家们将地球周围的射电望远镜毗邻起来,缔造了“事宜视界”望远镜,这是一个虚拟的、模拟了地球巨细口径的望远镜,实现了这个惊人的观察。

更多的观察还显示,纵然环自己的形状和巨细相当稳固,黑洞周围的物质亮度仍然发生了转变。这些都有助于天文学家领会物质进入黑洞的最后一跃前发生了什么。

M87星系有一股壮大的物质喷流从其中央黑洞喷发而出,喷流由即将落入黑洞的物质发生的伟大磁场提供动力。泉源:NASA, ESA, 及 the Hubble Heritage Team (STScI/AURA); 致谢: P. Cote (茨伯格天体物理研究院) 及 E. Baltz (斯坦福大学)

通过无线电波可以观察到物质漩涡发出的光,它们远远超出我们的眼睛所能看到的局限。这种类型的光不是由物质发烧发生的――只管物质简直是令人难以置信的高温――而是由于物质中嵌入了强烈而庞大的磁场。虽然这个图像令人震惊,但它并没有告诉我们太多关于磁场的信息,磁场是驱动黑洞周围大量力学流动的气力。

但到今天,已经有三篇相关论文出书了。行使事宜视界望远镜的数据,天文学家能够绘制出来自物质的偏振光,这是研究磁场的要害。

M87星系中央超大质量黑洞周围物质的现实图像,显示了来自抛射物质的偏振光偏向。这是由物质磁场造成的,它促成了大部门物质的抛射。泉源:EHT

光可以被以为是一系列把能量从物体上带走的波。通常这些波的偏向是随机的;若是你把它想象一根吉他弦,你可以拨动它,它会上下、左右,或向任何偏向震惊。

然而,有些征象发出的波是整齐的――就像弹吉他时,弦都是水平振动的。以这种方式排列的光波称为偏振光。你们可能已经领会过这个看法:从金属或玻璃上反射的光可以是偏振光。偏振光太阳镜有滤光片,滤光片中的分子都是朝一个偏向排列的,这样当水平外面反射的偏振光透过太阳镜时,它就会被盖住。只有与分子对齐的偏振光才气通过。

等离子体中的磁场(一种从原子中剥离了一个或多个电子的气体)也能引起偏振光的发射。电子以靠近光速的速率绕磁力线旋转,当它们旋转时,就会发出称为同步辐射的光。这种光在自旋偏向上是偏振的,偏振的强度可以用来丈量多种关于等离子体和磁场的征象。

黑洞周围的物质形成了一个圆盘,我们可以看成一个光环围绕着黑洞(黑洞远侧的圆盘是可见的,由于黑洞强烈的引力使它向上弯曲并朝向我们围绕)。来自光环的偏振光与光环自己是平行的,这解释磁场从黑洞向边缘围绕着光环(这种磁场被称为极向场,我以为很有趣)。

丈量这种极化显示黑洞周围的磁场相当强,现实上磁场有助于将物质保持在圆盘中的内边缘,并暂时减缓部门物质落入黑洞。他们丈量了物质落入黑洞的速率,也许是每年0.0003-0.002的太阳质量。这听起来可能不算多,但事实上,这意味着在这个局限的上限,黑洞每年要多消耗两颗木星的物质。

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或者,你倾向这样的形貌:黑洞一天两次吞入相当于地球的物质。

(突然惊慌而且尖叫着原地跑圈)

这是异常惊人的。他们还发现磁场的强度约莫是1-30高斯,或者说约莫是地球磁场强度的2到60倍。听起来可能不算多,但它的作用局限很广,至少有几千亿公里。磁场的威力也异常伟大。

武仙座A是一个相对较近的流动星系的例子,它的中央有一个黑洞,吞噬物质同时喷射出大量的辐射和物质。图源:NASA, ESA, S. Baum and C. O'Dea (RIT), R. Perley and W. Cotton (NRAO/AUI/NSF), and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

事实上,像这样的黑洞可以把物质和能量的光束发射到远离星系盘的地方,天文学家称之为喷流,这些喷流异常壮大,可以延伸数十万光年,远远大于整个星系。这种喷流的能量简直让人震惊;光是喷流物质的动能(它的运动能量和使它加速所需的能量)就可以是太阳发出能量的数十亿倍!

我们知道这些是磁性征象,是由吸积盘的内部磁场扭曲成龙卷风一样的漩涡引起的,但不清晰这是怎么发生的。通过丈量黑洞周围的磁场特征,天文学家将深入领会这些新鲜而恐怖的壮大特征。M87有这样的喷流(由于相对论效应,我们只看到一个大致朝向我们的喷流),新的研究中也对它举行了剖析。

M87超大质量黑洞的放大图片(从上到下):哈勃的图像出现了全局景观;ALMA天文台观察显示,整个喷流中都有偏振光;VLBA显示了内部喷流中的偏振光,而事宜视界望远镜观察到了黑洞吸积盘中的偏振光。图源:EHT Collaboration; ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Goddi et al.; NASA, ESA and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA); VLBA (NRAO), Kravchenko et al.; J. C. Algaba, I. Martí-Vidal

丈量光的偏振是一个极其难题和艰辛的历程,这就是为什么这些观察效果现在才宣布的缘故原由;剖析这些数据所花的时间要比制作我们两年前看到的图像长得多。然则这些数据中包罗的信息值得支出起劲和守候。

对我来说,这个特殊黑洞的现实数据和机制,只管异常酷,但并不是最有价值的。真正有价值的是我们知道了自己能做到这一点。这是一项异常难题且有开创性的事情,但它是可以做到的。另有更多的黑洞可以通过这样的方式研究,包罗人马座A,这个银河系中央400万太阳质量的庞然大物。我们可能需要更大、功效更强的射电望远镜,还可能需要更壮大的盘算机处置能力。但现有的观察解释,这是一个手艺问题、一个能解决的工程问题,而不是物理问题。

我们可以窥视数百万光年之外的物质,筛选特定种类的光,并行使这些信息更好地领会一个65亿倍太阳质量的黑洞对现实空间结构的影响。我以为这是异常值得知道的。

作者: Phil Plait

FY: Roci

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     发布于 2021-09-26 00:06:13  回复
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