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爱因斯坦又对了:科学家首次发现黑洞边缘的“暴跌区”

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爱因斯坦是一位著名的物理学家,他提出的相对论,被认为是现代物理学的两大基石之一,通过该理论,我们不但可以更好地理解宇宙万物,而且还能够对宇宙中的一些现象进行预测。当然了,在做出了预测之后,我们还应该对其进行验证,用实际证据去“考验”通过该理论给出的预测到底对不对。



在过去的日子里,相对论已经通过了大量的“考验”,而根据近日发表在《皇家天文学会月刊》的一项研究,爱因斯坦又对了一次,因为科学家首次发现黑洞边缘的“暴跌区”(plunging region),而在此之前,科学家早已根据相对论预测出了“暴跌区”的存在。下面我们就来看看这具体是怎么回事。

正如我们所知,黑洞是一种引力场非常强大的天体,即使是光都无法从黑洞的“事件视界”之内逃逸出来,也就是说,黑洞本身是不可见的,那科学家又是如何观测黑洞的呢?一个最常用的方法,就是观测黑洞的吸积盘。



简单来讲,由于宇宙万物都是处于运动之中,因此那些被黑洞引力“捕获”到的物质,其运动方向几乎不可能径直“对准”黑洞的质心,在绝大多情况下,它们都会沿着一种螺旋形的轨道向黑洞坠落,在此过程中,由于角动量守恒,它们的速度就会越来越快,如果黑洞“捕获”的物质足够多,那么大量的物质就会在黑洞周围形成一个高速旋转的盘状结构。

这种盘状结构,就被称为黑洞的吸积盘,由于其中的物质速度极快,并且不断地在发生剧烈的碰撞与摩擦,因此黑洞的吸积盘通常都是非常“炽热”和“明亮”的,通过对其进行观测,科学家就可以知道黑洞的存在,并对其展开研究。

在黑洞强大引力的作用下,吸积盘中物质仍然会一边围绕着黑洞旋转,一边不断地向黑洞的“事件视界”接近,不出意外的话(例如发生黑洞喷流事件),它们最终都会被黑洞吞噬。



根据基于相对论的理论预测,在被吞噬的过程中,吸积盘中的物质并不会匀速地坠入“事件视界”,因为当它们进入到一个距离“事件视界”足够近的区域时,极度弯曲的时空就将会使这些物质无法保持环绕黑洞的运动状态,在这种情况下,这些物质就会直接向“事件视界”之内坠落。

这个距离“事件视界”足够近的区域,就被称为“暴跌区”。为了方便理解,我们不妨来做一个简单的比喻。

想象一个场景,一条平静的河流缓缓流动,在其前方,存在着一个瀑布,在这种情况下,当河流中的水抵达瀑布边缘时,就无法再保持平稳的流动,而是会直接坠落下去,而黑洞吸积盘中的物质和“暴跌区”,就与这个场景中河流中的水和瀑布类似。



那么,这种理论上的预测到底对不对呢?这就需要用实际证据来说话了。

此次研究的对象是一个名为“MAXI J1820+070”的系统,该系统距离我们大约10000光年,包含了两颗恒星和一个质量约为太阳质量8.5倍的黑洞,由于这个黑洞时不时地就会从它的两个“同伴”那里吸收物质,因此它就成了科学家观测的理想目标。

该研究团队在分析“MAXI J1820+070”的观测数据时发现,在该系统的那个黑洞的一次爆发过程中,其X射线波段存在着“额外的辉光”,为什么会这样呢?



科学家推测,这应该与黑洞的“暴跌区”密切相关,因为基于相对论的理论预测,进入“暴跌区”的物质,其速度会陡然增加,并因此产生大量的X射线。

为了验证这种推测是否正确,该研究团队建立了理论模型,并将实际观测数据与模拟结果进行对比,研究结果表明,此次“额外的辉光”与理论上的模拟结果几乎完全匹配,这就表明了“暴跌区”确实存在。

该团队表示,首次发现黑洞边缘的“暴跌区”,进一步验证了爱因斯坦的相对论对黑洞物质吸积过程的预测,这不仅对我们理解黑洞具有重要意义,也为未来的研究指明了方向。

参考资料:Continuum emission from within the plunging region of black hole discs,Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 531, Issue 1, Pages 366–386

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