科學家揭開黑洞X射線輻射之謎

北京時間6月21日消息，據美國宇航局網站報道，一項由美國宇航局，約翰·霍普金斯大學以及羅徹斯特理工學院共同開展的研究項目揭開了一項天文學中長期以來困擾科學家們的謎團，那就是恒星質量的黑洞是如何產生其最高能級水平的輻射的。
杰里米·施尼特曼(Jeremy Schnittman)是一位來自美國宇航局戈達德空間飛行中心的天體物理學家，也是這項研究工作的參與者之一。他表示：“我們在研究中對位于黑洞邊緣地帶溫度高達十億度氣體中的粒子運動，相互作用以及復雜的磁場狀態進行了觀測。黑洞是宇宙中最極端的物理環境。”
通過計算機對黑洞吞噬氣體的過程模擬，研究組發現他們可以重現一些活躍的黑洞發出的一些重要的X射線特征。當氣體被黑洞吞噬時，首先這些氣體會圍繞黑洞高速轉動，隨后逐漸吸積，在其周圍形成一個氣體物質盤，在這個物質盤中積壓的氣體逐漸向黑洞盤旋下落，在這一過程中受到嚴重壓縮并升溫。最終在這一過程中的氣體物質溫度可以達到大約1200萬攝氏度，這比太陽表面的溫度還要高2000倍以上。這樣的氣體物質會在低能級X射線，或叫“軟X射線”波段發出強烈輻射。
然而，40多年以來的觀測資料表明，這些黑洞有時候還會產生一些能級水平更高的， 或者叫做“硬X射線”的輻射。而要想產生這一能級水平的輻射，需要的能量將是發出軟X射線輻射水平的數萬倍。硬X射線輻射現象的存在說明更高溫度氣體物質的存在，其溫度將達到數十億攝氏度。而此次的最新研究則是在理論與觀測之間架起了一座橋梁，展示了在高溫氣體盤旋下落的過程中可以同時產生軟X射線與硬X射線輻射。
朱利安·克羅利克(Julian Krolik)是約翰·霍普金斯大學教授，斯科特·諾貝爾(Scott Noble)則任職于羅徹斯特理工學院。施尼特曼與上述這兩位教授合作，開發了一套方法來模擬黑洞吸積盤的內部過程，追蹤X射線輻射和運動，并將模擬結果與觀測數據進行比對。
諾貝爾開發了遺體計算機模擬程序，解決了描述吸積盤中向黑洞下落氣體的運動以及與之關聯的磁場特性的所有方程。模擬現實下落過程中的氣體，由于其溫度，密度和速度急劇上升，極大的放大了吸積盤內部的磁場強度，后者轉而對氣體產生進一步的影響。這樣模擬的結果便是得到一團以接近光速的極高速度圍繞黑洞旋轉的物質團。該模擬程序同時監測下落氣體流，吸積盤中的電場，磁場，并同時考慮愛因斯坦相對論的原理。在位于德州大學奧斯丁分校的美國德克薩斯超級計算中心的幫助下，

諾貝爾的模擬程序使用了“巡游者”超級計算機6.3萬塊處理器中的960塊，持續進行了27天的運算之后得到了結果。
多年以來，不斷改進的X射線觀測證明存在一種高溫的，位于吸積盤上方稀薄的冕狀結構，其可以產生硬X射線輻射，這種結構非常類似于太陽的日冕結構。諾貝爾表示：“天文學家們預期這個吸積盤會支持強烈的磁場，并認為這種磁場可以解釋這種冕狀結構的產生。”他說：“然而沒有任何人可以確認這種機制是否真的存在，我們并不清楚實際的觀察結果是否將和我們的理論相符合。”
借助諾貝爾創建的模擬程序，施尼特曼和克羅利克對X射線在冕狀結構和吸積盤內如何產生，吸收和散射的全過程進行了觀察。結合各方數據，研究小組首次完整構建出一個將充滿磁場震蕩的吸積盤，溫度高達數十億攝氏度的冕狀結構，以及在吸積過程中產生的硬X射線的現象都包含在內的模型機制鏈條。6月1日，有關這一發現的文章已經發表在《天體物理學報》上。
在冕狀結構中，電子和其它粒子的運動速度接近光速。當來自吸積盤的低能X射線抵達這一區域時，它有可能會和這一區域的一個粒子發生撞擊，這種撞擊極大提升了X射線的能級，這一機制被稱作“逆康普頓散射”。
克羅利克表示：“黑洞是非常詭異的， 其周遭區域所具有的極高溫，極高運動速度以及極端引力環境都展示著廣義相對論的不可思議。”他說：“但是我們的計算證明，我們只需要最普通的物理學理論便可以了解有關這種奇異天體的很多信息。”
另外需要指出的是，這項研究所基于的是無自轉黑洞。研究組目前正打算將他們的結果擴展到具有自旋的黑洞上去。在后者的情形下，轉動的黑洞會將物質盤進一步向內拉伸，使情況更加復雜。研究組還打算將他們的研究結果與美國宇航局和其它航天機構積累的海量觀測數據進行比對。
黑洞是宇宙中已知最致密的天體。恒星級別的黑洞是當大質量恒星耗盡其燃料之后塌縮形成的，它可以將20倍太陽質量的物質壓縮入一個直徑僅有約120公里的球體范圍內。
(作者：晨風)