研究发现:磁场能够帮助黑洞快速吞噬物质

 

2019-01-18 00:49

  宇宙中的神秘天体——黑洞往往都在贪婪地吞噬着周围的物质,“捕食”的黑洞拥有一个面积很大的捕食器官,不断从外界吞噬物质,这个捕食器官就是盘绕在它周围的吸积盘。

  吸积盘就像盘绕成一团的蛇一样,最外缘的部分是“蛇嘴”,周围的恒星一旦被“蛇嘴”咬上,就别想摆脱掉。

  恒星体内的物质就会源源不断流向黑洞吸积盘,像被吸血一样,“血液”不断被吸入“蛇嘴”,进而被黑洞吞噬。从模样上看,就好像一个气球(恒星)的气球嘴被一个圆盘边缘粘住了,气球内的气体(恒星物质)通过气球嘴在不断流向圆盘。

  组成吸积盘的物质却是正在被吞噬的物质,这些物质一旦被吸到黑洞周围,会因为被黑洞绑架而马上慌了手脚,不知所措地随着漩涡不断向黑洞的大嘴旋进,在沦为黑洞的美餐前,发出“惨叫声”,以X射线的形式传了出来,还有一些被剥离得遍体鳞伤却还幸运一点的离子逃离出来……这就是黑洞吸积盘里发生的惨象。

  为什么黑洞会拥有一个螺旋式旋进的可怕的吸积盘呢?根据以往科学家的观点,这是黑洞的强引力场造成的。

  科学家告诉我们:黑洞的质量一般较大,但体积又极其小,这就使得黑洞周围的引力场极其强大。例如,我们银河系的一个黑洞,质量是太阳的7倍,而其体积,据科学家认为很可能只有针尖那么大。于是根据爱因斯坦的广义相对论,黑洞周围的时空极度弯曲,一旦进入其警戒线之内(对于上述黑洞,警戒线千米的范围),连没有静止质量的光子都会被吸入黑洞,无法再脱离警戒线逃离出来。因此,黑洞警戒线内部的世界在我们看来就是黑的,像一个幽暗的无底洞,黑洞之名由此而来。要想逃离黑洞的警戒线(视界),除非你有超光速的本领。

  上述警戒范围是对于拥有光速的光子来说的,而对于速度较低的物质,黑洞的警戒范围肯定会向外扩张,也许方圆多少万千米的范围都是黑洞的领地,普通物质一踏入“禁区”,就会被黑洞强大的引力吸引,陷入黑洞的吸积盘,而吸积盘里的物质也正在黑洞引力下,不断向黑洞盘旋靠近。可怕的吸积盘漩涡就在强大的引力作用下形成了。

  一个转动的物体,若施加与物体线速度方向平行的力,这个力就会产生促进或阻碍物体转动的效果,这种效果可以用转矩表示。若想让物体停止转动,必须施加阻碍转动的转矩,例如,汽车在刹车时,为了让车轮不转动,顺时针转动的轮子,必须通过刹车板对轮子施加一个逆时针的转矩,轮子才会停下来。若没有任何摩擦,轮子会永远转下去。这就像让一个向前开的汽车停下来,必须施加一个向后的阻力一样。直线运动的物体有惯性,转动的物体也有转动惯性,以角动量表示。如果不对转动的物体施加转矩,那么物体转动的角动量就保持恒定。物体会循着自己的轨道很稳定地围绕中心转动。

  物体在一定轨道上绕中心旋转,如果引力恰好等于离心力,物体就会很稳定地旋转,并不会向中心下落。我们发射的人造卫星,只要卫星的旋转角动量不变,卫星会很稳定地绕地球旋转,甚至时间太长久了,经历风吹日晒的卫星破碎了,其碎屑也会持之以恒地在太空继续旋转下去。我们若想回收卫星,必须让卫星的旋转角动量降低,卫星才会逐渐向地球靠近。

  问题来了。黑洞吸积盘里的物质和吸积盘外的恒星都在绕黑洞旋转,如果只受到黑洞的引力作用,那么这些物质的角动量应该是不变的。一秒钟之前和一秒钟之后物质的转动是一样的,吸积盘里的物质不应该向黑洞方向下落,吸积盘外的恒星也不应该被黑洞恣意吸取“血液”。尽管黑洞的引力强大,也奈何不了其警戒线之外的物质。而在黑洞警戒线之外的物质若不向黑洞方向下落,又怎么会无缘无故落进警戒线之内呢?这样,黑洞周围的吸积盘应该可以与黑洞相安无事。也就是说超过一定的距离,物质就会像绕地球旋转一样,绕着黑洞安稳地转动,不该向中心靠拢。

  除非,有一种作用起到了一种转矩的作用,降低了物质的角动量,物质旋转速度慢了,才有可能向黑洞方向下落。

  对此,往往科学家都会想到摩擦力,物质转动过程中的相互摩擦会提供阻碍转动的转矩,会改变物质的角动量。可是这种物质盘内部的摩擦力会很大吗?木星和土星环等物质盘内部的摩擦力就很小。可见,引力和摩擦力都不足以导致黑洞吸积盘里的气体那么快地堕入黑洞。

  30多年前,科学家就注意到了吸积盘物质角动量的快速丢失,科学家也曾经把怀疑的眼光投向了磁场作用,只是没有找到磁场盗取角动量的证据。

  最近,美国密歇根大学的科学家通过观测我们银河系的GRO J1655双星系统,发现了黑洞中的磁场作用的证据。这个双星系统包括一个7倍于太阳质量的黑洞和一个2倍于太阳质量的恒星,其中的黑洞正在通过吸积盘贪婪地吞噬着恒星体内的物质。通过卫星上的钱德拉X射线天文台观测,黑洞吸积盘中心正在以漏斗状向外不断散发出大量的X射线和大量的带电粒子,看起来就像从黑洞中心正吹出狂风,形状如同明亮的火焰。

  这种X射线光谱显示,数百万度的气体盘旋在黑洞周围,一些热气被狂风吹走,而大量的热气正在向黑洞旋进,这与计算机模拟的磁场和物质的相互摩擦产生的磁场风很一致。科学家通过光谱分析认为,黑洞中存在磁场,在黑洞磁场作用下,吸积盘里的气体剧烈地相互摩擦,产生大量的热,高温导致气体电离,并释放出X射线,各种带电粒子又在磁场作用下被狂风吹了出来。高温和高强度的风意味着黑洞具有高强度的磁场,若没有磁场的作用,单纯的摩擦热和射线不会形成这么强烈的风。

  正是这阵强烈的风偷走了周围物质的角动量,再加上摩擦产生的阻碍转矩,吸积盘里的物质角动量大大减小,这相当于物质丧失了能够与黑洞引力相抗衡的力量,不可能在原来的轨道安稳地旋转,它们在黑洞引力下身不由己,只能乖乖地被黑洞吞食。

  可见,磁场磨擦是黑洞快速吞噬物质的关键,是产生灿烂炫目的X射线光谱的根源。据测定,GRO J1655黑洞所释放出来的X射线如此明亮,简直与整个银河系其他所有方式释放的X射线亮度差不多。科学家猜测,宇宙中有四分之一的X射线辐射是物质向黑洞下落的过程中放射出来的,包括那些宇宙中最亮的天体——强大的脉冲星。原来,可怕的黑洞主要是靠无形而强有力的磁场来捕食的,它和引力场一唱一和,可使食物乖乖送上门来。

  科学家也终于认识到,黑洞虽然是宇宙中最黑暗的天体,它却给世界贡献了大量的光明——X射线辐射。

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