美科学家将揭开黑洞高能X射线辐射之谜

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　　黑洞是宇宙中已知最致密的天体，科学家可以通过观测其吞噬周遭物质时发出的剧烈X射线辐射，从而发现黑洞的存在

　　一项由美国宇航局，约翰·霍普金斯大学以及罗彻斯特理工学院共同开展的研究项目揭开了一项天文学中长期以来困扰科学家们的谜团，那就是恒星质量的黑洞是如何产生其最高能级水平的辐射的。

　　杰里米·施尼特曼(Jeremy Schnittman)是一位来自美国宇航局戈达德空间飞行中心的天体物理学家，也是这项研究工作的参与者之一。他表示：“我们在研究中对位于黑洞边缘地带温度高达十亿度气体中的粒子运动，相互作用以及复杂的磁场状态进行了观测。黑洞是宇宙中最极端的物理环境。”

　　通过计算机对黑洞吞噬气体的过程模拟，研究组发现他们可以重现一些活跃的黑洞发出的一些重要的X射线特征。当气体被黑洞吞噬时，首先这些气体会围绕黑洞高速转动，随后逐渐吸积，在其周围形成一个气体物质盘，在这个物质盘中积压的气体逐渐向黑洞盘旋下落，在这一过程中受到严重压缩并升温。最终在这一过程中的气体物质温度可以达到大约1200万摄氏度，这比太阳表面的温度还要高2000倍以上。这样的气体物质会在低能级X射线，或叫“软X射线”波段发出强烈辐射。

　　然而，40多年以来的观测资料表明，这些黑洞有时候还会产生一些能级水平更高的，或者叫做“硬X射线”的辐射。而要想产生这一能级水平的辐射，需要的能量将是发出软X射线辐射水平的数万倍。硬X射线辐射现象的存在说明更高温度气体物质的存在，其温度将达到数十亿摄氏度。而此次的最新研究则是在理论与观测之间架起了一座桥梁，展示了在高温气体盘旋下落的过程中可以同时产生软X射线与硬X射线辐射。

　　朱利安·克罗利克(Julian Krolik)是约翰·霍普金斯大学教授，斯科特·诺贝尔(Scott Noble)则任职于罗彻斯特理工学院。施尼特曼与上述这两位教授合作，开发了一套方法来模拟黑洞吸积盘的内部过程，追踪X射线辐射和运动，并将模拟结果与观测数据进行比对。

　　诺贝尔开发了遗体计算机模拟程序，解决了描述吸积盘中向黑洞下落气体的运动以及与之关联的磁场特性的所有方程。模拟现实下落过程中的气体，由于其温度，密度和速度急剧上升，极大的放大了吸积盘内部的磁场强度，后者转而对气体产生进一步的影响。这样模拟的结果便是得到一团以接近光速的极高速度围绕黑洞旋转的物质团。该模拟程序同时监测下落气体流，吸积盘中的电场，磁场，并同时考虑爱因斯坦相对论的原理。在位于德州大学奥斯丁分校的美国德克萨斯超级计算中心的帮助下，诺贝尔的模拟程序使用了“巡游者”超级计算机6.3万块处理器中的960块，持续进行了27天的运算之后得到了结果。

　　多年以来，不断改进的X射线观测证明存在一种高温的，位于吸积盘上方稀薄的冕状结构，其可以产生硬X射线辐射，这种结构非常类似于太阳的日冕结构。诺贝尔表示：“天文学家们预期这个吸积盘会支持强烈的磁场，并认为这种磁场可以解释这种冕状结构的产生。”他说：“然而没有任何人可以确认这种机制是否真的存在，我们并不清楚实际的观察结果是否将和我们的理论相符合。”

　　借助诺贝尔创建的模拟程序，施尼特曼和克罗利克对X射线在冕状结构和吸积盘内如何产生，吸收和散射的全过程进行了观察。结合各方数据，研究小组首次完整构建出一个将充满磁场震荡的吸积盘，温度高达数十亿摄氏度的冕状结构，以及在吸积过程中产生的硬X射线的现象都包含在内的模型机制链条。6月1日，有关这一发现的文章已经发表在《天体物理学报》上。

　　在冕状结构中，电子和其它粒子的运动速度接近光速。当来自吸积盘的低能X射线抵达这一区域时，它有可能会和这一区域的一个粒子发生撞击，这种撞击极大提升了X射线的能级，这一机制被称作“逆康普顿散射”。

　　克罗利克表示：“黑洞是非常诡异的，其周遭区域所具有的极高温，极高运动速度以及极端引力环境都展示着广义相对论的不可思议。”他说：“但是我们的计算证明，我们只需要最普通的物理学理论便可以了解有关这种奇异天体的很多信息。”

　　另外需要指出的是，这项研究所基于的是无自转黑洞。研究组目前正打算将他们的结果扩展到具有自旋的黑洞上去。在后者的情形下，转动的黑洞会将物质盘进一步向内拉伸，使情况更加复杂。研究组还打算将他们的研究结果与美国宇航局和其它航天机构积累的海量观测数据进行比对。

　　黑洞是宇宙中已知最致密的天体。恒星级别的黑洞是当大质量恒星耗尽其燃料之后塌缩形成的，它可以将20倍太阳质量的物质压缩入一个直径仅有约120公里的球体范围内。