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    天文学家弄清楚了黑洞是如何在光年外的空间中喷射出相对论性物质

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      【博科园-科学科普】自从爱因斯坦的广义相对论预言了黑洞的存在之后,黑洞就一直是人们着迷的源泉。在过去的100年里,对黑洞的研究取得了相当大的进展,但是这些物体的敬畏和神秘仍然存在。例如科学家们已经注意到,在某些情况下,黑洞会产生大量的带电粒子流,这些粒子从这些粒子中喷射出数百万光年。

      天文学家弄清楚了黑洞是如何在光年外的空间中喷射出相对论性物质

      从黑洞喷射出的相对论性射流的概念图。图片版权:Northwestern University

      这些相对论性的喷射物——之所以得名,是因为它们以微弱的光速推进带电粒子,多年来一直困扰着天文学家。但是由于最近由一个国际研究小组进行的一项研究,这些喷射物获得了新的解释。与广义相对论一致的是,研究人员发现这些喷射流逐渐进入(即改变方向),因为时空被拉入黑洞旋转的过程中。

      他们的研究标题为“在三维一般相对论性的MHD模拟中,由倾斜的黑洞盘形成的喷气机的形成”,最近发表在皇家天文学会的月报中。该研究小组成员来自阿姆斯特丹大学的安东·潘内科克研究所(Anton Pannekoek Institute for天文学),以及西北大学天体物理学(CIERA)的跨学科探索与研究中心(CIERA)教授。

      研究小组在伊利诺伊大学的蓝色水域超级计算机上进行了模拟。他们所进行的模拟是第一次模拟来自超大质量黑洞(SMBHs)的相对论性射流的行为。在接近10亿个计算单元的情况下,它也是迄今为止所实现的吸积黑洞的最高分辨率模拟。正如西北大学温伯格艺术与科学学院的物理学和天文学助理教授亚历山大·契科夫斯科伊(Alexander Tchekhovskoy)在最近的西北大学新闻发布会上解释的那样:了解旋转的黑洞如何拖曳它们周围的时空,以及这个过程如何影响我们通过望远镜所看到的东西,这仍然是一个至关重要的难题。幸运的是在超级计算机体系结构的代码开发和飞跃方面的突破使我们越来越接近于找到答案。

      天文学家弄清楚了黑洞是如何在光年外的空间中喷射出相对论性物质

      就像所有的超大质量黑洞一样,快速旋转的SMBHs会经常吞噬(aka)。然而快速旋转的黑洞也因其以相对论喷射形式释放能量的方式而闻名。给这些黑洞提供食物的物质在它们周围形成了一个旋转的圆盘。一种吸积盘,其特征是热的、带电的气体和磁场线。

      这些电场线的存在允许黑洞以这些喷射流的形式推进能量。因为这些喷射流非常大,所以比黑洞本身更容易研究。这样一来天文学家就能理解这些射流的方向变化的快慢,从而揭示了黑洞自身旋转的情况——比如旋转圆盘的方向和大小。在对黑洞的研究中,先进的计算机模拟是必要的,很大程度上是因为它们在可见光下无法观测到,而且通常在很远的地方。例如离地球最近的SMBH是人马座A*,它位于距离我们星系中心约26000光年的地方。因此模拟是确定像黑洞这样高度复杂的系统如何运作的唯一方法。

      在之前的模拟中,科学家们假设黑洞的圆盘是对齐的。然而大多数SMBHs都被发现有倾斜的圆盘——即圆盘绕着一个单独的轴旋转,而不是黑洞本身。因此这项研究具有重大意义,因为它表明了圆盘是如何改变相对于黑洞的方向的,从而导致喷气飞机周期性地改变方向。

      这在以前是未知的,因为要构建一个快速旋转的黑洞周围区域的三维模拟,需要的计算能力非常之多。在国家科学基金会(NSF)的资助下,该团队通过使用世界上最大的超级计算机之一的蓝色水域实现了这一目标。

      天文学家弄清楚了黑洞是如何在光年外的空间中喷射出相对论性物质

      人马座A*中发现异常明亮的x射线,这是银河系中心的超大质量黑洞。图片版权:NASA/CXC/Stanford/I. Zhuravleva et al.

      有了这台超级计算机,这个团队就能够建造第一个黑洞模拟代码,他们使用图形处理单元(gpu)加速。由于这一组合,研究小组得以进行了有史以来最高分辨率的模拟——即接近10亿个计算单元。

      Tchekhovskoy解释说:高分辨率使我们首次能够确保在我们的模型中精确捕捉到小规模的湍流磁盘运动。令我们惊奇的是,这些运动竟然如此强烈,以致于它们使圆盘变平,使圆盘的旋进停止,这表明岁差可以爆发。

      相对论射流的旋进可以解释为什么在过去的黑洞周围观测到光的波动,这被称为准周期振荡(QPOs)。这些光束最初是由Michiel van der Klis(该研究的共同作者之一)发现的,它的运作方式与类星体的光束相似,后者似乎有一种频闪效应。

      这项研究是世界上正在进行的许多旋转黑洞的研究之一,目的是为了更好地了解最近的发现,如引力波,这是由黑洞合并引起的。这些研究也被应用于事件视界望远镜的观测,该望远镜捕捉到了人马座A* s阴影的第一张图像。将揭示的东西肯定会让人兴奋和惊奇,并可能加深黑洞的神秘。

      在过去的一个世纪里,对黑洞的研究已经取得了相当大的进展——从纯理论的研究,到对它们对周围物质的影响的间接研究,以及对引力波本身的研究。也许有一天,可以直接研究它们或者(如果没有太多希望的话)直接观察它们!


      • 知识:科学无国界,博科园-科学科普

      • 参考:Northwestern Now, MNRAS

      • 作者:Matt Williams

      • 内容:“博科园”判定符合今主流科学

      • 来自:Universe Today

      • 编译:中子星

      • 审校:博科园

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