黑洞最新照片來(lái)了：只多了炫酷光紋，卻讓物理學(xué)家解開(kāi)噴流大謎題

明敏 2021-06-12 15:00:37 來(lái)源：量子位

明敏 發(fā)自 凹非寺
量子位 報(bào)道 | 公眾號(hào) QbitAI

提到黑洞，我們第一想到的肯定是光都無(wú)法逃逸的特性。

所以黑洞真的只是個(gè)洞？

答案可沒(méi)這么簡(jiǎn)單。

此前科學(xué)家們就發(fā)現(xiàn)，黑洞在用強(qiáng)大引力吞噬萬(wàn)物的同時(shí)，還會(huì)發(fā)射出一股能量非常高的等離子噴流，也就是黑洞噴流。

以M87星系黑洞為例，這些噴流能夠從黑洞中心向外延伸至少5000光年，速度接近光速。

這可就令人頭大了。

科學(xué)家們好不容易弄清楚為什么黑洞連光都能捕獲，結(jié)果它自己還噴東西出來(lái)？

不過(guò)這個(gè)宇宙難題，在最近傳來(lái)了好消息。

事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）公布了一張偏振光下的黑洞圖像，為研究黑洞噴流提供了有力證據(jù)。

這一次的照片為研究黑洞提供了一個(gè)全新的視角。

科學(xué)家們合成了M87星系黑洞在偏振光下的圖像。

與2019年公布的第一張黑洞照片不同的是，偏振光下的黑洞有了一圈炫酷的螺旋光紋。

科學(xué)家們介紹，這些螺旋光紋是由黑洞周?chē)膹?qiáng)磁場(chǎng)造成的。

而這一結(jié)果為已經(jīng)流行了44年的黑洞噴流原理——布蘭德福–日納杰過(guò)程（Blandford–Znajek process）提供了強(qiáng)有力的證據(jù)。

旋轉(zhuǎn)上升、逃離黑洞

不過(guò)，為什么看到了一圈黑洞周?chē)墓饧y，就能驗(yàn)證黑洞噴流原理了呢？

想要知道其中的關(guān)系，我們要先來(lái)弄清楚黑洞噴流到底是什么。

早在1918年，科學(xué)家希伯·柯蒂斯（Heber Curtis）就觀測(cè)到了M87星系黑洞的噴流，他將其描述為“一道非常奇怪的直射光”從一片模糊的光斑中心射出。

但在當(dāng)時(shí)，科學(xué)家并不知道這道光是來(lái)自黑洞的。

大家都在困惑：為什么發(fā)射這道直射光的光斑來(lái)自于一個(gè)星系的兩側(cè)？

△天鵝座A星系中出現(xiàn)的噴流產(chǎn)生了巨大的星際斑塊

羅杰·布蘭福德（Roger Blandford）和羅馬·日納杰（Roman Znajek）猜測(cè)這或許和黑洞有關(guān)。

后來(lái)物理學(xué)家也證明，黑洞是一個(gè)星系的“錨”，這些斑塊是星系中心的一個(gè)大黑洞向相反方向射出的噴流產(chǎn)生的。

在數(shù)學(xué)家羅伊·克爾（Roy Kerr）計(jì)算出黑洞自旋方程、羅杰·彭羅斯（Roger Penrose）證明黑洞自旋可減速并將所產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為其他東西的基礎(chǔ)上，1977年他們正式提出了布蘭德福–日納杰過(guò)程。

△羅杰·布蘭福德（左）和羅馬·日納杰（右）

首先，他們明確黑洞可以吸引大量的星際氣體在其周?chē)?，這些氣體會(huì)在隨著黑洞旋轉(zhuǎn)時(shí)，形成一個(gè)“吸積盤(pán)”。

與此同時(shí)，氣體也被加熱到了非常高的溫度。

這會(huì)導(dǎo)致氣體中的電子喪失，變成一個(gè)攜帶磁場(chǎng)的等離子體。

布蘭福德和日納杰認(rèn)為，黑洞的自旋會(huì)把吸積盤(pán)產(chǎn)生的磁場(chǎng)扭曲成一種螺旋形態(tài)。

當(dāng)磁場(chǎng)發(fā)生運(yùn)動(dòng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)大的電壓。這個(gè)電壓會(huì)把能量從黑洞中沿著螺旋線向上、向外吸引，從而形成了噴流。

上世紀(jì)80年代開(kāi)始，科學(xué)家們開(kāi)始嘗試在計(jì)算機(jī)上模擬這個(gè)過(guò)程。

起初，研究人員只是將吸積盤(pán)稍微磁化，得到了SANE模型。

在這個(gè)模型中，等離子體繞著黑洞旋轉(zhuǎn)時(shí)就像水流向排水口一樣，是非常無(wú)力的，而且方向隨機(jī)。

這會(huì)導(dǎo)致粒子發(fā)生相互碰撞后，失去能量和角動(dòng)能落入黑洞。

隨著落入黑洞的粒子越來(lái)越多，黑洞周?chē)托纬闪艘粋€(gè)磁場(chǎng)，并且黑洞自旋會(huì)把這個(gè)磁場(chǎng)扭曲成一種螺旋形態(tài)，然后產(chǎn)生噴流。

到了20世紀(jì)90年代末，哈佛大學(xué)的拉梅什·納拉揚(yáng)（Ramesh Narayan）等研究人員開(kāi)始試著提高模型中黑洞周?chē)拇艌?chǎng)強(qiáng)度。

他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)磁場(chǎng)足夠強(qiáng)時(shí)，等離子體就會(huì)變得非常有序，并且能夠控制吸積盤(pán)、而不是被它控制。

磁場(chǎng)線能夠在黑洞周?chē)纬梢粋€(gè)力場(chǎng)，作為噴流的套筒，這也可以防止等離子體落入黑洞中。

這就是MAD模型。

很長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)，人們都認(rèn)為SANE模型更合理。

但現(xiàn)在的觀測(cè)結(jié)果表明，黑洞附近的磁場(chǎng)非常強(qiáng)、而且磁場(chǎng)線非常有序，這顯然與MAD模型更加貼近。

繼續(xù)前進(jìn)

為了進(jìn)一步探索M87星系黑洞周?chē)膹?qiáng)磁場(chǎng)，科學(xué)家們必須要先破解螺旋磁場(chǎng)線的“密碼”。

目前他們正試圖逆向推導(dǎo)出磁場(chǎng)的形態(tài)。

與此同時(shí)，也有研究人員在模擬黑洞周?chē)蟮膮^(qū)域，以研究恒星是如何產(chǎn)生中心磁場(chǎng)的。

此外，他們還提出了一些疑問(wèn)：

比如，噴流是如何發(fā)光的？

它每秒鐘就能產(chǎn)生大約3萬(wàn)億兆焦耳的能量，如此小的粒子是怎么做到的？

這也讓布蘭福德不禁感嘆：“大自然能夠構(gòu)造出這些東西，實(shí)在是令人驚訝?！?/p>

參考鏈接：
[1]https://www.quantamagazine.org/physicists-identify-the-engine-powering-black-hole-energy-beams-20210520/
[2]https://eventhorizontelescope.org/blog/astronomers-image-magnetic-fields-edge-m87s-black-hole