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揭秘黑洞奇異時空之謎:諸多物理定律可能在其中失效

據國外媒體報道,當一顆恒星耗盡全部燃料結束其一生時就可能發生坍縮并演化成黑洞,宇宙中的超大質量黑洞往往具有數十億倍太陽質量,統治著星系的中央。目前,來自美國宇航局“雨燕”探測器和費米伽馬射線空間望遠鏡的最新數據研究顯示,處于活躍狀態的黑洞所噴射出的高速噴流具有普遍性,不論黑洞的質量、年齡和空間環境如何都基本相同,該結果也提出了一個誘人的暗示:普通物理過程可適用于黑洞。

黑洞被認為是最奇異的天體之一,諸多物理定律可能在其中失效

費米伽馬射線與雨燕探測器對耀變體、類星體以及伽馬暴的觀測結果

根據美國宇航局戈達德空間飛行中心研究人員羅德里戈·納蒙(Rodrigo Nemmen)介紹:“在以往的觀測中,通常情況下黑洞所產生的噴流中有著相同組分的伽馬射線,這個現象在費米望遠鏡和雨燕探測器的觀測中都發現過。”被黑洞引力所捕獲的氣體等物質落入黑洞過程中,會“堆積”形成盤狀漩渦,氣體在這里被高速旋轉壓縮、加熱。在吸積盤內緣附近,即事件視界的“門檻”邊上會形成朝外指向的釋放點,一些物質就會沿著黑洞自轉軸產生一對相反方向的噴射流,可將粒子等加速至光速,該過程中也會釋放伽馬射線,這是一種較為極端的電磁波.

來自美國宇航局博士后流動站研究員西爾萬·吉里耶克(Sylvain Guiriec)認為我們還不完全了解黑洞噴流加速過程是如何發生的,但是在活躍的星系中都可以探測到這樣的噴流發生,有些噴流已經延伸到數百萬光年遠的空間中。吉里耶克也是本項研究論文的合著者。該進程末端還會產生伽馬射線暴,這是宇宙中最強大的爆發,天文學家認為在大質量恒星死亡和恒星級黑洞誕生的過程中都會產生最為常見的伽馬射線暴。當恒星發生引力坍縮后形成黑洞,隨著恒星外層成瀑布狀向內側縮進,就會形成吸積盤和黑洞噴流。

在伽馬射線噴流中,一些粒子的運動速度被認為達到了光速的99.9%,噴流產生的伽馬射線通常可持續大約幾秒鐘,如果噴流的方向正好對著我們,像雨燕探測器和費米空間望遠鏡就可以探測到突然出現的伽馬暴。為了在較大(黑洞)質量范圍內尋找噴流的爆發趨勢,科學家們尋找具有星系級規模的伽馬射線噴流,它們來自一些最為明亮活躍的星系、類星體和耀變體,這些天體釋放的噴流同樣也需要指向地球。

經典的耀變體在一秒中釋放的能量相當于太陽在31.7萬年發出能量總和,普通的伽馬射線暴在一秒內釋放的能量相當于太陽在30億年內發出光和熱量總和。最終,研究小組審查了54個伽馬射線源和234個耀變體、類星體,費米伽馬射線空間望遠鏡、雨燕探測器以及其他觀測平臺可以迅速告訴科學家有多少噴流釋放。射電波和X射線的觀測允許科學家們確定每個噴流中粒子加速的情況,通  過分析每個類型天體的噴流性質,研究人員發現伽馬射線暴和耀變體存在相同的聯系。

巴爾的摩空間望遠鏡科學研究所博士后研究員艾琳·邁耶(Eileen Meyer)認為有一種解釋認為黑洞噴流物質在一定的質量區間上表現出普遍性的特點,從數倍太陽質量到數十億倍太陽質量之間都可以觀測到類型的現象。這一發現讓科學家了解到黑洞的活動是受同一套物理規律限制,不論黑洞的質量、年齡或者噴流的亮度和能量強度是否相同,大約5%至15%的能量被用于加速粒子以釋放伽馬射線和其他形式的光線。

馬里蘭大學物理系副教授Markos Georganopoulos認為這有點兒像一個窮人和一個百萬富翁在取暖支出上都是相同的。根據美國宇航局首席研究員Neil Gehrels介紹:“這項研究有一個特別的成果,可以促進天文學家研究伽馬射線和活躍星系之間的聯系,而過去我們傾向于將兩者視為單獨的研究領域。”

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