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明敏 发自 凹非寺

量子位 报道 | 民众号 QbitAI

提到黑洞,我们第一想到的一定是光都无法逃逸的特征。

以是黑洞真的只是个洞?

谜底可没这么简朴。

此前科学家们就发现,黑洞在用壮大引力吞噬万物的同时,还会发射出一股能量异常高的等离子喷流,也就是黑洞喷流

以M87星系黑洞为例,这些喷流能够从黑洞中央向外延伸至少5000光年,速率靠近光速。

这可就令人头大了。

科学家们好不容易弄清晰为什么黑洞连光都能捕捉,效果它自己还喷器械出来?

不外这个宇宙难题,在最近传来了好新闻。

事宜视界望远镜(EHT)宣布了一张偏振光下的黑洞图像,为研究黑洞喷流提供了有力证据。

这一次的照片为研究黑洞提供了一个全新的视角。

科学家们合成了M87星系黑洞在偏振光下的图像。

与2019年宣布的第一张黑洞照片差其余是,偏振光下的黑洞有了一圈炫酷的螺旋光纹

科学家们先容,这些螺旋光纹是由黑洞周围的强磁场造成的。

而这一效果为已经盛行了44年的黑洞喷流原理――布兰德福�C日纳杰历程(Blandford�CZnajek process)提供了强有力的证据。

旋转上升、逃离黑洞

不外,为什么看到了一圈黑洞周围的光纹,就能验证黑洞喷流原理了呢?

想要知道其中的关系,我们要先来弄清晰黑洞喷流到底是什么。

早在1918年,科学家希伯・柯蒂斯(Heber Curtis)就考察到了M87星系黑洞的喷流,他将其形貌为“一道异常新鲜的直射光”从一片模糊的光斑中央射出。

但在那时,科学家并不知道这道光是来自黑洞的。

人人都在疑心:为什么发射这道直射光的光斑来自于一个星系的两侧?

△天鹅座A星系中泛起的喷流发生了伟大的星际斑块

罗杰・布兰福德(Roger Blandford)和罗马・日纳杰(Roman Znajek)展望这或许和黑洞有关。

厥后物理学家也证实,黑洞是一个星系的“锚”,这些斑块是星系中央的一个大黑洞向相反偏向射出的喷流发生的。

在数学家罗伊・克尔(Roy Kerr)盘算出黑洞自旋方程、罗杰・彭罗斯(Roger Penrose)证实黑洞自旋可减速并将所发生的能量转化为其他器械的基础上,1977年他们正式提出了布兰德福�C日纳杰历程

△罗杰・布兰福德(左)和罗马・日纳杰(右)

首先,他们明确黑洞可以吸引大量的星际气体在其周围,这些气体会在随着黑洞旋转时,形成一个“吸积盘”。

与此同时,气体也被加热到了异常高的温度。

这会导致气体中的电子损失,酿成一个携带磁场的等离子体。

布兰福德和日纳杰以为,黑洞的自旋会把吸积盘发生的磁场扭曲成一种螺旋形态。

当磁场发生运动时,就会发生一个壮大的电压。这个电压会把能量从黑洞中沿着螺旋线向上、向外吸引,从而形成了喷流

上世纪80年月最先,科学家们最先实验在盘算机上模拟这个历程。

早先,研究职员只是将吸积盘稍微磁化,获得了SANE模子

在这个模子中,等离子体绕着黑洞旋转时就像水流向排水口一样,是异常无力的,而且偏向随机。

这会导致粒子发生相互碰撞后,失去能量和角动能落入黑洞。

随着落入黑洞的粒子越来越多,黑洞周围就形成了一个磁场,而且黑洞自旋会把这个磁场扭曲成一种螺旋形态,然后发生喷流。

到了20世纪90年月末,哈佛大学的拉梅什・纳拉扬(Ramesh Narayan)等研究职员最先试着提高模子中黑洞周围的磁场强度。

他们发现,当磁场足够强时,等离子体就会变得异常有序,而且能够控制吸积盘、而不是被它控制。

磁场线能够在黑洞周围形成一个力场,作为喷流的套筒,这也可以防止等离子体落入黑洞中。

这就是MAD模子

很长时间以来,人们都以为SANE模子更合理。

但现在的考察效果注释,黑洞四周的磁场异常强、而且磁场线异常有序,这显然与MAD模子加倍贴近。

继续前进

为了进一步探索M87星系黑洞周围的强磁场,科学家们必须要先破解螺旋磁场线的“密码”。

现在他们正试图逆向推导出磁场的形态。

与此同时,也有研究职员在模拟黑洞周围更大的区域,以研究恒星是若何发生中央磁场的。

此外,他们还提出了一些疑问:

好比,喷流是若何发光的?

它每秒钟就能发生约莫3万亿兆焦耳的能量,云云小的粒子是怎么做到的?

这也让布兰福德不禁叹息:“大自然能够组织出这些器械,着实是令人惊讶。”

参考链接:

[1]https://www.quantamagazine.org/physicists-identify-the-engine-powering-black-hole-energy-beams-20210520/

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