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​风从哪里来?这次从黑洞中来……
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来源:上观新闻 作者:黄海华 2021-08-06 17:01
摘要:首次发现直接观测证据

黑洞吸积盘中有风,这是中国科学院上海天文台袁峰课题组在十年前的理论预言。如今他们与南京大学李志远课题组合作,发现了黑洞热吸积流中存在风的直接观测证据。这一研究成果日前发表在了《自然·天文学》上。

宇宙中几乎所有星系中心都存在一个超大质量黑洞,由于黑洞的引力,周围的气体一边旋转一边往下落,形成了一个“盘”——黑洞吸积盘。吸积盘会发出强烈的辐射和物质外流,人类首张黑洞照片中拍到的辐射就是源于吸积盘。

根据温度不同,黑洞吸积流分为“冷”“热”两种,两者温度相差1万倍,热吸积流最高温度可达一万亿度。过去在很长一段时间,人们认为,黑洞周围的所有气体都会被黑洞“吃”进去,自然也就不可能有风。

1999年,有研究发现:距离黑洞越近,气体越少。有人猜测是有风,还有人猜测是由于对流,气体原地打转,跑不进去了。当然,这些都只是猜测,背后的机制并不清楚。在高温的热吸积流中是否存在风,于是成了该领域争论的焦点问题。

2011年,袁峰课题组通过超级计算机的数字模拟,结合理论分析,提出预言——热吸积流中存在很强的风,只有一小部分热吸积流的气体被黑洞“吃”进去了,大部分以风的形式逃逸了出来。这一研究结果当时发表在《美国天体物理》,被同行专家称为该领域的一个重大进展。如果真的有风,它从黑洞周围逃逸,不仅“跑”得快而且“跑”得远,可以到达100秒差距远的地方(1个秒差距近似等于3.26光年)。风,被认为是影响星系演化的关键因素。由于风的速度很快,它会和气体相互作用,产生激波加热气体。而星系演化,正是气体形成恒星的过程。

不过,由于对热吸积流风的观测很困难,加上气体稀薄,辐射比较弱,一直难以找到直接观测的证据。

十年磨一剑。袁峰课题组和李志远课题组通过Chandra望远镜,对存在热吸积流的黑洞M81*进行了高分辨率光谱分析。“铁元素一般会发射一些谱线,但其频率和已知的很不一样,我们由此推测热吸积流有很大的运动速度。”袁峰告诉解放日报·上观新闻记者。

观测数据表明,这些发射线是从速度约每秒3000公里的外流(风)中发出来的。合作团队进行了磁流体动力学数值模拟,依据模拟结果计算了吸积流的风产生的发射线的性质,发现与观测结果非常吻合。这一结果证明M81*中的确存在很强的风,这是首次发现热吸积流中存在风的直接观测证据,把人们对黑洞与星系的演化等重要科学问题的理解又向前推进了重要一步。

“黑洞吸积盘真的有风!这就是宇宙的魅力,充满了未知。最让人兴奋的是,我们证实了自己十年前提出的理论预言,这也激励着我们向下一个未知继续努力。”袁峰说。

栏目主编:黄海华 文字编辑:黄海华 题图来源:新华社 图片编辑:邵竞
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