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20多年主流理论被否决,大量黑洞论文或需重写

2017-9-14 11:26:24来源:新浪科技作者:晨风责编:弥尘 评论:

北京时间9月14日消息,据国外媒体报道,一项最新研究可能会颠覆长期以来人们关于物质在被黑洞吞噬之前行为的描述理论。

在过去的20年间,科学家们一直认为在黑洞周围的吸积盘中可以存在某些处于不同程度电离状态的铁原子,但光谱中不会被探测到,因为考虑到黑洞周围的极端环境条件,这些铁离子不会辐射光子。换句话说,黑洞周围可能出现这样的情况:“虽然那里没有观测到光子,但是那里实际上可能存在着离子”。

然而,在实验室中利用世界上最强大的X射线装置:美国桑迪亚国家实验室的“Z机器”(Z machine)模拟黑洞周围环境并开展长达5年的验证工作之后,科学家们发现实际情况或许并非如此。

在这项研究中,研究组发现长期以来被广泛接受的一项名为“共振俄歇破坏假设”的理论实际上似乎并未出现,这就意味着“如果那里没有观测到光子,那么那里应该也不存在离子”。

黑洞研究是出了名的困难,因为它周围的环境实在太过极端。但是借助世界最强大实验室辐射光源系统的帮助,科学家们能够重现黑洞附近X射线的情况并进行细致观察。否则,这样的观察只能在宇宙中对极其遥远的真实黑洞附近空间进行。

桑迪亚国家实验室研究员,这项研究的第一作者格里姆·罗塞尔(Guillaume Loisel)指出:“当然,我们无法观测到黑洞直接产生的辐射。我们观察到的是黑洞周围物质在下落到黑洞之前产生的辐射。这些物质在螺旋下落前会形成一个圆盘状,被称作吸积盘。”物质颗粒在这些吸积盘中会出现剧烈的相互摩擦升温并产生剧烈的X射线辐射,这种辐射的存在常常被天文学界用来标识黑洞的位置。

但一般情况下,科学家们都需要借助轨道天文台才能测量这种源自黑洞周围的X射线源的谱线。但即便这样,这项技术也仍然是存在诸多限制的。

桑迪亚国家实验室的论文合著者吉姆·贝利(Jim Bailey)说:“问题在于,黑洞周围产生X射线辐射的等离子体性质是非常特殊的,而我们用于解译其光谱信号的理论模型此前却从未在实验室中接受过检验,直到现在。”

在这项研究中,科学家们对“共振俄歇破坏假设”(简称“俄歇破坏”)理论进行了首次理论检验。该理论认为,由于黑洞周围的强引力环境以及剧烈的高温辐射,铁原子中的电子将变成“自由电子”被“解放”出来,而不是通过辐射光子的方式降低能量回到原始能态。

俄歇破坏理论能够很好地解释黑洞周围吸积盘中某些光子信号的缺失,从而允许某些离子(比如铁离子)的存在且不会在光谱数据中表现出来。

在实验中,科学家们重新黑洞附近的辐射环境并用硅代替铁进行实验。硅元素在宇宙中相当常见并且被认为比铁更容易发生俄歇破坏现象。

然而,实验结果是没有观察到有关现象。

罗塞尔表示:“如果俄歇破坏是事实,那么它应该会在我们的实验中出现,因为我们创设了相似的环境,同样的柱密度,同样的温度。我们的实验结果显示,如果没有观察到光子,那么那里离子也并不存在。”

根据罗塞尔的说法,这也意味着长期以来基于俄歇破坏理论撰写的很多科研论文可能将需要“重新考虑”。他说:“我们的结果对长期以来用来推断黑洞吞噬周围星体与物质的理论模型提出了挑战。”

研究人员表示,这项最新研究是目前对于黑洞周围环境的最精确模拟。这将帮助科学家们更好理解黑洞周围空间内物质的行为模式并改进此前关于这一课题的认识。

这项研究的另一位合著者,美国宇航局天体物理学家蒂姆·卡尔曼(Tim Kallman)表示:“桑迪亚实验室的结果是令人兴奋的,因为这是迄今最为接近重现黑洞周围环境的实验。”

罗塞尔则评价道:“另一种解释的可能性是,或许高能铁离子的谱线其实是存在的,只是在谱线判读的时候出现了错误。这是因为黑洞的强大引力场对于光谱会造成比较显著的影响,要知道光子在那样的环境下是很难摆脱如此强大的引力环境的。”

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