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法拉第效应,黑洞磁场强度相当于笔者万有引力

2020-01-01 12:23

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射电天文学家第一次在银河系的中心附近探测到一颗磁星,他们以磁星为“参考系”进一步探测了银河系中心超大质量的黑洞。在银河系中心的附近区域发现的磁星有极端的磁场强度,以脉冲磁星自身和相关的性质为“参照物”,科学家将观测的视角延伸到银河系中心的超大黑洞。位于德国波恩的马克斯·普朗克研究所的射电天文学家第一次测量了银心附近磁源的磁场强度,脉冲星磁源不仅发出了超强的磁场,而且控制了黑洞外的物质向黑洞内的流动,黑洞的巨大引力构成了“深不可测”的时空陷阱,黑洞周围的物质和能量以X—射线的方式向外辐射,脉冲星的超强磁场影响了黑洞X—射线的释放。

黑洞磁场强度相当于自身万有引力

新发现的脉冲星沿着银心超大质量黑洞周围的轨道转动,科学家将银心称为人马座A源、简称sgrA*,过去的20多年,脉冲星天文学家一直将银心附近区域的脉冲星视为重点的研究目标之一。脉冲星充当了极其精确的“宇宙时钟”,科学家以脉冲星的“计时功能”对其周围的时空特性进行测定,以验证爱因斯坦的广义相对论在极端物理条件下的正确性。NASA的斯威夫特望远镜最先发现了在银心方向闪烁的X—射线信号,NASA的NuSTAR望远镜同样接收到了射电脉冲信号,脉冲的周期为3、76秒。马克斯·普朗克研究所射电天文学分所的团队成员在艾菲尔斯堡射电天文台开展了观测和数据分析研究。

Image credit: Alexander Tchekhovskoy, LBL

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一项对星系中心超大质量黑洞的最新研究发现,在整个系统动力学中,黑洞磁场起着重要作用。美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室和德国马克斯普朗克射电天文学研究所科学家通过对76个黑洞的观察测量发现,它们的强度比得上由黑洞强大万有引力产生的拉力。相关论文发表在上周出版的《自然》杂志上。

马克斯·普朗克研究所射电天文学分部的物理学家拉尔夫·伊塔夫解释说,收到了周期性波动的脉冲星信号之后,以NuSTAR的观测资料为基础,他们使用了艾菲尔斯堡射电天文台100米直径的圆盘天线,将大口径射电望远镜对准了银心方向。第一次接收的信号不够清晰,其中的一些脉冲星信号模糊、难以处理,第二次接收的信号清晰而有效,非常活跃的脉冲信号显示了光源清晰而明亮的特征,终于检测到银心附近发来的脉冲信号,科学团队沉浸在喜悦和兴奋的气氛中。

本研究是首次系统地检测黑洞附近磁场。这非常重要,因为我们不知道这一点。伯克利实验室研究员亚历山大柴可夫斯基说,他负责协助解释现有计算机模型的观测数据。而现在我们有了不止一两个证据,而是来自76个黑洞的证据。

从银心发出的脉冲信号非常特别,科学团队持有十分谨慎的态度,他们花费了大量时间和精力,最后证明了脉冲信号来源于深空的某个天体,它们不是地球上的人为因素制造的无线电干扰电波。NuSTAR望远镜接收到脉冲信号之后,世界各地的射电望远镜进行了跟踪观测,更多的平行观测提供了反复核实的资料。英国的焦德雷尔班克射电天文台拥有非常大型的射电望远镜阵列,焦德雷尔班克天文台的埃文·基恩解释了他们的观测,星期六早晨的六点钟,他们正在计算磁场的磁通密度,他们在那一时刻获得了非常强烈的磁星信号,脉冲星发射的射电波得以确定。

活跃星系中心的吸积超大质量黑洞,通常会产生喷射相对论粒子准直双极外流。而在喷射形成和吸积盘物理学中,磁场可能也起了关键作用。研究人员最近在银心黑洞附近发现了一个动态重要磁场,如果这种现象是普遍的,且磁场能延伸到黑洞的事件视界附近,吸积盘结构就会受到影响,这样由标准模型得出的假设就是错的。

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柴可夫斯基在加州大学伯克利分校做博士后时,曾提出一个包含了磁场的黑洞计算模型。该模型认为,一个黑洞能支持的一个磁场,该磁场和它的万有引力一样强。但迄今为止还没有观察证据支持他的预测。

马克斯·普朗克研究所的艾菲尔斯堡的射电望远镜能够对银心区域进行观测,这是望远镜当初设定的目的之一,在长达40多年的时间,艾菲尔斯堡的射电望远镜在银河系没有发现脉冲星的信号,它第一次检测到银心附近的脉冲信号源,如果没有国际科学界信息交换的机制,那么它仍然可能“无功而返”。荷兰的拉德邦内梅特大学的海诺·法尔克教授说到,“我们有时不得不等待,保持耐心是科学家的一种品质,科学探索需要付出艰辛的努力,我们最后获得了成功,人类第一次在银心附近发现了一颗超强磁场强度的脉冲星。”

据物理学家组织网近日报道,研究人员观察到的超大质量黑洞喷出的气体证明了其磁场的强度。这些气体喷射由磁场形成,并产生电波辐射。我们意识到,从黑洞喷射发出的电波辐射可以用来测量黑洞附近的磁场强度。论文第一作者、MPIfR研究人员穆罕默德扎曼尼那萨博说。

新发现的脉冲星被命名为PSRJ1745—2900,它属于一个特别的脉冲星子群。磁星通常拥有超强的磁场,强度达到了1亿特斯拉,磁星的磁场强度大约为普通中子星的1000多倍,磁星的磁场强度比地球高出了1000000亿倍、或100万的亿倍。极强磁场在“法拉第效应”的驱动下激发了磁极化平面的旋转,天文学家通过测量极化平面的旋转来计算脉冲的磁场强度。星系中心大质量黑洞附近的磁场强度是一个重要的物理参数,黑洞逐渐吞噬了周围的物质,在吞噬主要为热的电离化气体的过程中形成了吸积的机制,向内流动的吸积气体激发了磁场效应,磁星的超强磁场反过来影响了吸积气体的结构和动力学特征。

此前曾有其他研究小组用美国射电望远镜网络甚长基线阵列收集了来自射电噪星系的电波辐射数据。这次的研究通过分析这些数据后绘制出不同波长的电波辐射图,然后根据不同辐射图之间喷射特征的变化,计算出了黑洞附近的磁场强度。

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根据这些结果,研究小组不仅测出黑洞的磁场强度和它的万有引力一样强,而且也和医院里磁共振成像仪产生的磁场强度差不多大约是地球磁场的一万倍。

磁星的超强磁场或加强了黑洞吸积周围气体的功能,或减弱了吸积的过程。脉冲星PSRJ1745—2900帮助科学家测量了各处的磁场强度,从吸积流的产生之处到星系中心黑洞,测量的结果证明了一个大规模超强磁场的存在。马克斯·普朗克研究所射电天文学分部的主任和基础物理学研究项目的负责人迈克尔·克莱默解释说,为了认识银心、或sgrA*的特性,科学家从气体跌入黑洞的吸积过程入手。气体的磁化是一个关键性的参数,人们对吸积流结构的的认识相当有限。通过新发现的脉冲星的特征,科学团队测量了吸积流在开始地点的磁场强度,被吸积的气体流最终卷入到星系中心的大质量黑洞。

柴可夫斯基说,这些新结果意味着理论学家必须重新评价他们对黑洞性质的理解。黑洞的磁场极强,足以大大改变气体落入黑洞以及我们观测到的气体外流的方式,我们需要返回去重新审视我们的黑洞模型了。

如果磁场由电离化的气体激发,电离气体被自然地吸积到黑洞的视界边缘,那么电离化气体解释了从射电波到X射线的发射,一直以来,科学家将不同波段的辐射与黑洞本身联系起来。银心黑洞附近的超强磁场也许抑制了黑洞对电离化气体的吸积能力,如果发生了这种情形,那么科学家似乎找到了银心处于“饥饿”状态的线索,他们没有在其它星系中心的超大质量黑洞发现“吃不饱”的现象。有更多的证据表明,在银河系中心“隐居”一个威力巨大的黑洞,马克斯·普朗克研究所在加尔兴等地的机构开展了国际合作研究,地外物理学家精确地测量了星系中心黑洞的质量,然而,人们对黑洞的很多性质知之甚少,它们是宇宙中最为神秘的天体。

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银心附近的磁星帮助科学家解释了一些天文观察的结果。磁星是宇宙中稀有的天体,在脉冲星的群体中显得弥足珍贵,以目前的观测资料进行统计,每2000颗脉冲星包含4颗磁星。银河系中心可能有一大群脉冲星,之前的脉冲星探测行动中没有发现它们,一种可能性的解释是在银心存在极强的射电波散射,磁星PSRJ1745—2900的特征反驳了这种猜测,银心区域的射电波散射复杂、更加不协调,靠近中心黑洞的区域,射电波的复杂性和不协调性更加明显。

在银心附近发现的磁星距离黑洞的边缘过于遥远,科学家难以探测黑洞的时空结构。磁星PSRJ1745—2900轨道半径远离银心的黑洞,它最小的转动周期为500年。磁星喧闹异常,即使充当了“宇宙时钟”,它也是一个不准确的时间“闹钟”。马克斯·普朗克研究所射电天文学分部的拉尔夫·伊塔夫解释说,他们倾向于发现一颗旋转更快的脉冲星,更理想的脉冲星位于靠近银心sgrA*的位置,它们的特性更适合用于精确地测定时间。新发现的磁星加强了科学家的信念,他们在未来的探测中可能找到更靠近银心的脉冲星。

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拉尔夫·伊塔夫带队的国际科学团队将发现的成果发表在自然》杂志上,文章的题目为“在银心超大质量黑洞的周围存在超强的磁场”,与此同时,澳大利亚射电天文台的一支科学团队发表了对同一颗磁星的观测和分析的成果,文章的题目为“在银河系中心附近一颗磁星的射电特性——从澳大利亚紧凑的望远镜阵列获得的观测结果”,澳大利亚天文台的香农和约翰斯顿带领的一支科学团队将他们的观测成果发表在英国皇家天文协会创办的刊物《每月通讯》上。

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(编译:2013-8-22)

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