黑洞實驗研究否決20多年主流理論:大量論文或需重寫
2017年09月14日11:00

  據國外媒體報導,一項最新研究可能會顛覆長期以來人們關於物質在被黑洞吞噬之前行為的描述理論。

一項最新研究可能會顛覆長期以來人們關於物質在被黑洞吞噬之前行為的描述理論
一項最新研究可能會顛覆長期以來人們關於物質在被黑洞吞噬之前行為的描述理論

  在過去的20年間,科學家們一直認為在黑洞周圍的吸積盤中可以存在某些處於不同程度電離狀態的鐵原子,但光譜中不會被探測到,因為考慮到黑洞周圍的極端環境條件,這些鐵離子不會輻射光子。換句話說,黑洞周圍可能出現這樣的情況:“雖然那裡沒有觀測到光子,但是那裡實際上可能存在著離子”。

  然而,在實驗室中利用世界上最強大的X射線裝置:美國桑迪亞國家實驗室的“Z機器”(Z machine)模擬黑洞周圍環境並開展長達5年的驗證工作之後,科學家們發現實際情況或許並非如此。

黑洞研究是出了名的困難,因為它周圍的環境實在太過極端。但是借助世界最強大實驗室輻射光源系統的幫助,科學家們能夠重現黑洞附近X射線的情況並進行細緻觀察
黑洞研究是出了名的困難,因為它周圍的環境實在太過極端。但是借助世界最強大實驗室輻射光源系統的幫助,科學家們能夠重現黑洞附近X射線的情況並進行細緻觀察

  在這項研究中,研究組發現長期以來被廣泛接受的一項名為“共振俄歇破壞假設”的理論實際上似乎並未出現,這就意味著“如果那裡沒有觀測到光子,那麼那裡應該也不存在離子”。

  黑洞研究是出了名的困難,因為它周圍的環境實在太過極端。但是借助世界最強大實驗室輻射光源系統的幫助,科學家們能夠重現黑洞附近X射線的情況並進行細緻觀察。否則,這樣的觀察只能在宇宙中對極其遙遠的真實黑洞附近空間進行。

  桑迪亞國家實驗室研究員,這項研究的第一作者格里姆・羅塞爾(Guillaume Loisel)指出:“當然,我們無法觀測到黑洞直接產生的輻射。我們觀察到的是黑洞周圍物質在下落到黑洞之前產生的輻射。這些物質在螺旋下落前會形成一個圓盤狀,被稱作吸積盤。”物質顆粒在這些吸積盤中會出現劇烈的相互摩擦升溫並產生劇烈的X射線輻射,這種輻射的存在常常被天文學界用來標識黑洞的位置。

  但一般情況下,科學家們都需要借助軌道天文台才能測量這種源自黑洞周圍的X射線源的譜線。但即便這樣,這項技術也仍然是存在諸多限製的。

  桑迪亞國家實驗室的論文合著者吉姆・貝利(Jim Bailey)說:“問題在於,黑洞周圍產生X射線輻射的等離子體性質是非常特殊的,而我們用於解譯其光譜信號的理論模型此前卻從未在實驗室中接受過檢驗,直到現在。”

在這項研究中,研究組發現長期以來被廣泛接受的一項名為“共振俄歇破壞假設”的理論實際上似乎並未出現
在這項研究中,研究組發現長期以來被廣泛接受的一項名為“共振俄歇破壞假設”的理論實際上似乎並未出現

  在這項研究中,科學家們對“共振俄歇破壞假設”(簡稱“俄歇破壞”)理論進行了首次理論檢驗。該理論認為,由於黑洞周圍的強引力環境以及劇烈的高溫輻射,鐵原子中的電子將變成“自由電子”被“解放”出來,而不是通過輻射光子的方式降低能量回到原始能態。

  俄歇破壞理論能夠很好地解釋黑洞周圍吸積盤中某些光子信號的缺失,從而允許某些離子(比如鐵離子)的存在且不會在光譜數據中表現出來。

  在實驗中,科學家們重新黑洞附近的輻射環境並用矽代替鐵進行實驗。矽元素在宇宙中相當常見並且被認為比鐵更容易發生俄歇破壞現象。

  然而,實驗結果是沒有觀察到有關現象。

  羅塞爾表示:“如果俄歇破壞是事實,那麼它應該會在我們的實驗中出現,因為我們創設了相似的環境,同樣的柱密度,同樣的溫度。我們的實驗結果顯示,如果沒有觀察到光子,那麼那裡離子也並不存在。”

  根據羅塞爾的說法,這也意味著長期以來基於俄歇破壞理論撰寫的很多科研論文可能將需要“重新考慮”。他說:“我們的結果對長期以來用來推斷黑洞吞噬周圍星體與物質的理論模型提出了挑戰。”

  研究人員表示,這項最新研究是目前對於黑洞周圍環境的最精確模擬。這將幫助科學家們更好理解黑洞周圍空間內物質的行為模式並改進此前關於這一課題的認識。

  這項研究的另一位合著者,美國宇航局天體物理學家蒂姆・卡爾曼(Tim Kallman)表示:“桑迪亞實驗室的結果是令人興奮的,因為這是迄今最為接近重現黑洞周圍環境的實驗。”

  羅塞爾則評價道:“另一種解釋的可能性是,或許高能鐵離子的譜線其實是存在的,只是在譜線判讀的時候出現了錯誤。這是因為黑洞的強大引力場對於光譜會造成比較顯著的影響,要知道光子在那樣的環境下是很難擺脫如此強大的引力環境的。”(晨風)

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