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粒子射流能被黑洞加速到光速之上?

2020-07-31 14:01:36 来源:
粒子射流能被黑洞加速到光速之上?

利用美国国家航空航天局(NASA)的钱德拉X射线太空望远镜,天文学家得以看到梅西耶87(M87)星系中著名的巨型黑洞正在将粒子以接近两倍光速的速度喷射出来。

通过对梅西耶87星系中心巨大暗天体的观测,事件视界望远镜在去年四月发布了史上第一张黑洞的照片。这个黑洞的质量约为太阳的65亿倍,与地球距离大约5500万光年。这个黑洞被天文学家称为M87*,并且它近期被赐予了一个夏威夷名字—波维希。

粒子射流能被黑洞加速到光速之上?

 

图源: Black Hole - Wikipedia

多年以来,天文学家一直在观测由M87中心喷射出的高能粒子射流引起的辐射。他们利用钱德拉太空望远镜从无线电、光学和X射线角度来研究这些喷射粒子。现在,在钱德勒太空望远镜的帮助下,研究人员已经观测到喷射粒子中有一部分正在以接近光速的速度移动。

“这是第一次用X射线数据记录到黑洞射流以如此极端的速度运动,”马萨诸塞州坎布里奇哈佛和史密森尼天文物理中心(CfA)的拉奥夫·克拉夫特说到。他在夏威夷檀香山的美国天文学会会议上介绍了这项研究成果。“我们需要钱德拉望远镜敏锐细致的X光‘视力’来进行这些测量。”

粒子射流能被黑洞加速到光速之上?

 

当物质与黑洞足够接近,它们将会进入一个称为吸积盘的漩涡模式。吸积盘内部的一些物质会跌落到黑洞中,同时有一些物质会循着磁场线方向以窄光束或者射流的形式被黑洞重新导向并抛射出来。由于这个入流过程并不规则,这些由团块或者结点组成的射流有时可以被钱德勒和其他望远镜观测到。

粒子射流能被黑洞加速到光速之上?

 

图源: Chandra X-ray Observatory - Wikipedia

2012年到2017年间,研究人员利用钱德拉望远镜来追踪两种距离黑洞900和2500光年以外射流中X射线结点的运动。根据X射线数据显示,距离黑洞更近的X射线结点正在以明显的6.3倍光速的速度移动,而对于离黑洞稍远一点的结点来说,它的速度是光速的2.4倍。

“物理学一个不可被打破的定律是没有什么的运动速度能超过光速。”该研究的共同作者,同样作为哈佛和史密森尼天文物理中心一员的布拉德·斯尼奥斯说到。“我们并没有打破物理定律,但是我们已经发现了一个称作超光速运动的惊人现象的实例。”

超光速运动发生在当物体在接近视线方向上以接近光速的速度运动的时候。这些射流以和它们发出的光的速度相近的速度向我们飞来。这就会给我们带来一个幻觉,它们的速度比实际光速还要快很多。在M87的情况下,射流径直朝向我们运动导致了这些奇异的速度现象。

粒子射流能被黑洞加速到光速之上?

 

天文学家先前已经在M87射流中看到过无线电和光波的运动。但是他们还没有很确切地证明射流中的物质正在以接近光速的速度运动。比如,观测到的运动特征可以是波或者是振动,类似于超音速飞机上的音爆,而不是简单就能追踪到物质的移动。

最新的结果显示出X射线作为准确的光速测量枪的能力。研究团队观测到,在2012年到2017年间,这些物质的运动特性在开始时以6.3倍的光速运动,但最终衰减了70%。这种衰减很有可能是当它们在电磁场中旋转时,放出了相应的辐射最终导致能量的损失。正由于这种可能性的存在,该团队必须在相同的时间观测相同微粒发出的X射线,而不是运动的波。

粒子射流能被黑洞加速到光速之上?

 

“我们的工作提供了迄今为止最强有力的证据,证明了M87中喷射出的射流正以接近光速极限的速度运动”斯尼奥斯说道。

钱德拉望远镜的数据对事件视界望远镜数据来说是一个很好的补充。利用事件视界望远镜观测出的黑洞周围光环的大小大约比钱德拉望远镜观测出的要小1亿倍。

粒子射流能被黑洞加速到光速之上?

 

图源: Event Horizon Telescope - Wikipedia

另一个不同之处在于,事件视界望远镜在2017年4月观测了M87六天就得出了最新的黑洞照片。而钱德拉望远镜观测的是早在几百年前和几千年前就从黑洞中被喷射出来的射流物质。

“这就像,事件视界望远镜正在提供火箭发射时的近距离特写镜头,” 这项研究的另一位共同作者,哈佛和史密森尼天文物理中心的保罗·瑙尔森苏说到。“而钱德拉望远镜给我们展现的是火箭在飞行中的情况。”

除了在美国天文协会会议上发表研究之外,这些结果同样在布拉德·斯尼奥斯发表在《天体物理学杂志》的文章中有描述。

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