黑洞吞噬物質之謎
天文學家宣布,他們第一次發現了物質被吸入黑洞的直接證據。
他們說,物質以每小時100多萬公里的速度被吸入黑洞
個密
度極高、引力極強、可以將包括光線在內的所有物質吞噬的區域。
美國國家航空和航天局位於馬里蘭州格林貝爾特的戈達德航天
中心的研究小組,在《天體物理學雜誌》上發表文章指出,他們正
在觀測的黑洞位於一個距地球1億光年的星系中。
黑洞內部的引力非常強大,任何物體—甚至包括光線在內
都無法逃逸。一些黑洞是由塌縮的恆星形成的,但是另一些黑
洞卻擁有「特大質量」,其中包含的物質相當於將100萬到10億個
太陽壓縮到一個非常小的區域中。
迄今為止,科學家們「看見」這些黑洞的唯一方法是觀測吸積
盤—環繞在黑洞周圍的物質在被吸入黑洞內部時形成的旋渦。戈
達德航天中心的天體物理學家保羅·南德拉正在觀測被命名為
NGC3516的星系,據信這個星系的核心部分存在著一個特大質量的
黑洞。
吸積盤就像盤繞成一團的蛇一樣,最外緣的部分是「蛇嘴」,周
圍的恆星一旦被「蛇嘴」咬上,就別想擺脫掉。恆星體內的物質就
會源源不斷流向黑洞吸積盤,像被吸血一樣,「血液」不斷被吸入
「蛇嘴」,進而被黑洞吞噬。從模樣上看,就好像一個氣球(恆星)
的氣球嘴被一個圓盤邊緣粘住了,氣球內的氣體(恆星物質)通過
氣球嘴在不斷流向圓盤。
為什麼黑洞會擁有一個螺旋式旋進的可怕的吸積盤呢?根據以
往科學家的觀點,這是黑洞的強引力場造成的。
科學家告訴我們:黑洞的質量一般較大,但體積又極其小,這
就使得黑洞周圍的引1力場極其強大。例如,我們銀河系的一個黑洞,
質量是太陽的7倍,而其體積,據科學家認為很可能只有針尖那麼
大。於是根據愛因斯坦的廣義相對論,黑洞周圍的時空極度彎曲
一旦進入其警戒線之內(對於上述黑洞,警戒線範圍是方圓10千米
的範圍),連沒有靜止質量的光子都會被吸入黑洞,無法再脫離警戒
線逃離出來。因此,黑洞警戒線內部的世界在我們看來就是黑的,
像一個幽暗的無底洞,黑洞之名由此而來。要想逃離黑洞的警戒線
(視界),除非你有超光速的本領。
可是科學家卻發現,黑洞引力的理論存在著重大的缺陷。
個轉動的物體,若施加與物體線速度方向平行的力,這個力
就會產生促進或阻礙物體轉動的效果,這種效果可以用轉矩表示。
若想讓物體停止轉動,必須施加阻礙轉動的轉矩。黑洞吸積盤裡的
物質和吸積盤外的恆星都在繞黑洞旋轉,如果只受到黑洞的引力作
用,那麼這些物質的角動量應該是不變的。一秒鐘之前和一秒鐘之
後物質的轉動是一樣的,吸積盤裡的物質不應該向黑洞方向下落,
吸積盤外的恆星也不應該被黑洞恣意吸取「血液」。儘管黑洞的引力
強大,也奈何不了其警戒線之外的物質。而在黑洞警戒線之外的物
質若不向黑洞方向下落,又怎麼會無緣無故落進警戒線之內呢?這
樣,黑洞周圍的吸積盤應該可以與黑洞相安無事。也就是說超過
定的距離,物質就會像繞地球旋轉一樣,繞著黑洞安穩地轉動,不
該向中心靠攏。
除非,有一種作用起到了一種轉矩的作用,降低了物質的角動
量,物質旋轉速度慢了,才有可能向黑洞方向下落。
到底是什麼導致吸積盤內物質的角動量丟失那麼快呢?
最近,美國密歇根大學的科學家通過觀測我們銀河系的
GROJ1655雙星系統,發現了黑洞中的磁場作用的證據。這個雙星系
統包括一個7倍於太陽質量的黑洞和一個2倍於太陽質量的恆星,
其中的黑洞正在通過吸積盤貪婪地吞噬著恆星體內的物質。通過衛
星上的錢德拉X射線天文台觀測,黑洞吸積盤中心正在以漏斗狀向
外不斷散發出大量的X射線和大量的帶電粒子,看起來就像從黑洞
中心正吹出狂風,形狀如同明亮的火焰。
這種X射線光譜顯示,數百萬度的氣體盤旋在黑洞周圍,一些
熱氣被狂風吹走,而大量的熱氣正在向黑洞旋進,這與計算機模擬
P的磁場和物質的相互摩擦產生的磁場風很一致。科學家通過光譜分
析認為,黑洞中存在磁場,在黑洞磁場作用下,吸積盤裡的氣體劇
烈地相互摩擦,產生大量的熱,高溫導致氣體電離,並釋放出X射
線,各種帶電粒子又在磁場作用下被狂風吹了出來。高溫和高強度
的風意味著黑洞具有高強度的磁場,若沒有磁場的作用,單純的摩
擦熱和射線不會形成這麼強烈的風。
正是這陣強烈的風偷走了周圍物質的角動量,再加上摩擦產生
的阻礙轉矩,吸積盤裡的物質角動量大大減小,這相當於物質喪失
了能夠與黑洞引力相抗衡的力量,不可能在原來的軌道安穩地旋轉,
它們在黑洞引力下身不由己,只能乖乖地被黑洞吞食。
可見,磁場磨擦是黑洞快速吞噬物質的關鍵,是產生燦爛炫目
的X射線光譜的根源。據測定,GROJ1655黑洞所釋放出來的X射
線如此明亮,簡直與整個銀河系其他所有方式釋放的X射線亮度差
不多。科學家猜測,宇宙中有四分之一的X射線輻射是物質向黑洞
下落的過程中放射出來的,包括那些宇宙中最亮的天體—強大的
脈衝星。原來,可怕的黑洞主要是靠無形而強有力的磁場來捕食的
它和引力場一唱一和,可使食物乖乖送上門來。
科學家也終於認識到,黑洞雖然是宇宙中最黑暗的天體,它卻
給世界貢獻了大量的光明—X射線輻射。
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