黑洞是什么?科学家模拟实验揭示真实面貌。

2016年1月18日10:17:49 评论 71

黑洞是什么?

黑洞是宇宙空间内存在的一种密度极大体积极小的天体。黑洞的引力很大,使得视界内的逃逸速度大于光速。学术界定义是——黑洞是时空曲率大到光都无法从其视界逃脱的天体。简单点说,黑洞就是有一个地球漏洞因为里边形成一股强大的磁场而形成一种神秘的地域。这个地方经常沉没船只,飞机等,据说是被无底黑洞吸了进去,象太平洋上的百慕大三角就是黑洞。

来自约翰·霍普金斯大学物理学与天文学系的Julian Krolik教授是该项研究的领导者之一,他说:“直到最近,我们研究小组的成员——来自弗吉尼亚大学的John Hawley和Jean-Pierre De Villiers——才编写出足够强大的计算机程序,足以跟踪从动荡的气体、磁场,到相对论中定义的引力等所有被黑洞吸积的成分……这些程序打开了一扇探知物质是如何落入黑洞这一复杂现象的窗口;也第一次揭示出复杂的磁场和爱因斯坦引力是如何结合、如何挤榨那些注定要永远封闭在黑洞之内的物质,同时爆发出持久的能量。”

黑洞是什么?科学家模拟实验揭示真实面貌。

在黑洞的外部边界,牛顿提出的万有引力定律不再有效,普通的轨道飞行也不可能出现。所以从这一点来说——正如过去30年所认为的那样——物质将快速、平稳和寂静地陷入黑洞之中。因此按照流行的观点,黑洞——要不是它施加引力的话——只不过是一个大量物质的被动吸纳者。然而Krolik研究小组对那些落入黑洞的物质进行的第一次实际计算结果,却与大家的预料截然相反。比如一般认为,黑洞的附近应该是平和而且寂静的;可是与之相反,根据相对论,物质往里陷落的同时也扩大了物质在流动时运动的随机性,使得密度、速度和磁场强度都产生剧烈变动,进而驱使物质和磁场来回波动。按照研究小组另一位领导者Hawley的说法,这种剧烈变动的后果是“显而易见”的。

“就像任何被搅动的流体一样,直接靠近黑洞边界的物质会被加热。这些额外的热量所发出的光,地球上的天文学家都能看到,”Hawley说,“黑洞有一个特点就是它发出的光不断变化。虽然人们30年前就知道了这个现象,但是直到现在也没有找出造成这些变化的原因。而剧烈搅动中的加热作用——现在已被视为黑洞附近磁力作用天然的副产品——正好为黑洞一直变化的发光量提供了一个合理的解释。”

黑洞还有一个最惊人的特点,就是它能以接近光速的速度喷发。虽然长久以来人们一直认为磁场在这个过程中扮演了重要角色,但是Krolik等人首次模拟出一个磁场排出被吸积的气体、从而产生喷发的具体过程。

也许该小组的计算机模拟方法最惊人的结果是,发现了旋转黑洞附近的磁场在黑洞的吸积盘和远处旋转着的物质之间起到连接作用,就像一辆汽车的传动器,牢牢连接着旋转式发动机和它的轮轴一样。Krolik说:“如果一个黑洞诞生时旋转得很快,就说明它的‘火车头’非常强劲,而它所捕获的大量物质,会逐渐降低它的旋转速度。这些数量巨大的吸积物最后将‘接管’整个过程,将黑洞旋转速度限制在一个上限之内。”

在Krolik看来,作为“接管者”的吸积物,也许与黑洞许多最激动人心的特性有着很强的关联。这也引起了他们广泛的思考,比如:一个黑洞的喷发与其旋转有关,所以旋转速度限制可能就决定了喷发的力度。

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