科學(xué)家揭開黑洞X射線輻射之謎

北京時間6月21日消息，據(jù)美國宇航局網(wǎng)站報道，一項由美國宇航局，約翰·霍普金斯大學(xué)以及羅徹斯特理工學(xué)院共同開展的研究項目揭開了一項天文學(xué)中長期以來困擾科學(xué)家們的謎團(tuán)，那就是恒星質(zhì)量的黑洞是如何產(chǎn)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(dá)德空間飛行中心的天體物理學(xué)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(dá)十億度氣體中的粒子運動，相互作用以及復(fù)雜的磁場狀態(tài)進(jìn)行了觀測。黑洞是宇宙中最極端的物理環(huán)境。”
通過計算機(jī)對黑洞吞噬氣體的過程模擬，研究組發(fā)現(xiàn)他們可以重現(xiàn)一些活躍的黑洞發(fā)出的一些重要的X射線特征。當(dāng)氣體被黑洞吞噬時，首先這些氣體會圍繞黑洞高速轉(zhuǎn)動，隨后逐漸吸積，在其周圍形成一個氣體物質(zhì)盤，在這個物質(zhì)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(yán)重壓縮并升溫。最終在這一過程中的氣體物質(zhì)溫度可以達(dá)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(zhì)會在低能級X射線，或叫“軟X射線”波段發(fā)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(chǎn)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(chǎn)生這一能級水平的輻射，需要的能量將是發(fā)出軟X射線輻射水平的數(shù)萬倍。硬X射線輻射現(xiàn)象的存在說明更高溫度氣體物質(zhì)的存在，其溫度將達(dá)到數(shù)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(chǎn)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(xué)教授，斯科特·諾貝爾(Scott Noble)則任職于羅徹斯特理工學(xué)院。施尼特曼與上述這兩位教授合作，開發(fā)了一套方法來模擬黑洞吸積盤的內(nèi)部過程，追蹤X射線輻射和運動，并將模擬結(jié)果與觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行比對。
諾貝爾開發(fā)了遺體計算機(jī)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(guān)聯(lián)的磁場特性的所有方程。模擬現(xiàn)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(nèi)部的磁場強度，后者轉(zhuǎn)而對氣體產(chǎn)生進(jìn)一步的影響。這樣模擬的結(jié)果便是得到一團(tuán)以接近光速的極高速度圍繞黑洞旋轉(zhuǎn)的物質(zhì)團(tuán)。該模擬程序同時監(jiān)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(xué)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(jī)6.3萬塊處理器中的960塊，持續(xù)進(jìn)行了27天的運算之后得到了結(jié)果。
多年以來，不斷改進(jìn)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(jié)構(gòu)，其可以產(chǎn)生硬X射線輻射，這種結(jié)構(gòu)非常類似于太陽的日冕結(jié)構(gòu)。諾貝爾表示：“天文學(xué)家們預(yù)期這個吸積盤會支持強烈的磁場，并認(rèn)為這種磁場可以解釋這種冕狀結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生。”他說：“然而沒有任何人可以確認(rèn)這種機(jī)制是否真的存在，我們并不清楚實際的觀察結(jié)果是否將和我們的理論相符合。”
借助諾貝爾創(chuàng)建的模擬程序，施尼特曼和克羅利克對X射線在冕狀結(jié)構(gòu)和吸積盤內(nèi)如何產(chǎn)生，吸收和散射的全過程進(jìn)行了觀察。結(jié)合各方數(shù)據(jù)，研究小組首次完整構(gòu)建出一個將充滿磁場震蕩的吸積盤，溫度高達(dá)數(shù)十億攝氏度的冕狀結(jié)構(gòu)，以及在吸積過程中產(chǎn)生的硬X射線的現(xiàn)象都包含在內(nèi)的模型機(jī)制鏈條。6月1日，有關(guān)這一發(fā)現(xiàn)的文章已經(jīng)發(fā)表在《天體物理學(xué)報》上。
在冕狀結(jié)構(gòu)中，電子和其它粒子的運動速度接近光速。當(dāng)來自吸積盤的低能X射線抵達(dá)這一區(qū)域時，它有可能會和這一區(qū)域的一個粒子發(fā)生撞擊，這種撞擊極大提升了X射線的能級，這一機(jī)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(qū)域所具有的極高溫，極高運動速度以及極端引力環(huán)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(xué)理論便可以了解有關(guān)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(zhuǎn)黑洞。研究組目前正打算將他們的結(jié)果擴(kuò)展到具有自旋的黑洞上去。在后者的情形下，轉(zhuǎn)動的黑洞會將物質(zhì)盤進(jìn)一步向內(nèi)拉伸，使情況更加復(fù)雜。研究組還打算將他們的研究結(jié)果與美國宇航局和其它航天機(jī)構(gòu)積累的海量觀測數(shù)據(jù)進(jìn)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(dāng)大質(zhì)量恒星耗盡其燃料之后塌縮形成的，它可以將20倍太陽質(zhì)量的物質(zhì)壓縮入一個直徑僅有約120公里的球體范圍內(nèi)。
(作者：晨風(fēng))