新研究解开了长期存在的黑洞磁场来源之谜

对爆炸并坍缩成黑洞的高度磁化恒星的模拟表明，它们会将自己的磁场转移到新黑洞周围形成的旋转物质盘上。黑洞是宇宙中最神秘的天体之一。它们最为人熟知的是，它将周围的一切拉入强大的引力陷阱，任何物体都无法逃脱。然而，它们也能发射强烈的带电粒子流，形成爆炸性的伽马射线暴，其在几秒钟内释放的能量比太阳在其整个生命周期内释放的能量还要多。要发生这样的事件，黑洞必须拥有强大的磁场。迄今为止，这种磁场的来源仍不清楚。

快速旋转的黑洞吸积盘及其产生的黑洞喷流的3D渲染图。图片来源：Ore Gottlieb等人（2024）

通过对黑洞形成过程的详细计算，Flatiron 研究所的科学家及其合作者确定了这些磁场的起源：形成黑洞的坍缩恒星。该团队最近在《天体物理学杂志快报》上发表了他们的研究成果。

恒星在超新星爆炸后会形成黑洞，留下一个致密的核心，称为原中子星。

“原中子星是黑洞之母，当它们坍缩时，黑洞就诞生了。我们看到的是，随着黑洞的形成，原中子星周围的圆盘会将其磁力线固定在黑洞上，”该研究的第一作者、纽约市Flatiron研究所计算天体物理中心（CCA）的研究员Ore Gottlieb说道。“最终了解了黑洞的这一基本特性，以及它们如何为伽马射线爆发——宇宙中最明亮的爆发——提供能量，这非常令人兴奋。”

戈特利布与 CCA 研究员 Brian Metzger、Jared Goldberg、Matteo Cantiello 和 Mathieu Renzo 共同撰写了这项研究。

该团队最初的目标是模拟恒星从诞生到坍缩再到黑洞形成的整个过程。他们计划通过模拟研究黑洞的外流，例如产生伽马射线爆发的喷流。然而，戈特利布的团队在模型上遇到了一个问题。

“我们不确定如何模拟中子星坍缩成黑洞时这些磁场的行为，”戈特利布说。“所以，这是我第一次思考的问题。”

快速旋转的黑洞吸积盘及其产生的黑洞喷流的3D渲染图。图片来源：Ore Gottlieb等人（2024）

关于黑洞及其磁性有几种理论，但在解释黑洞喷流和伽马射线爆发的威力时，似乎没有一种理论站得住脚。

“人们原本认为的情况是，坍缩恒星的磁场正在坍缩进黑洞，”戈特利布说，“在坍缩过程中，这些磁场线被压缩后变得更强，因此磁场的密度也会更高。”

这种解释的问题在于，恒星内部的强磁场会导致恒星失去自转。如果没有快速自转，新生的黑洞就无法形成吸积盘——黑洞周围的气体、等离子体、尘埃和粒子的流动——也无法产生我们观测到的喷流和伽马射线爆发。

“这似乎是互相排斥的，”戈特利布说。“喷流的形成需要两个条件：强磁场和吸积盘。但通过这种压缩获得的磁场不会形成吸积盘，而如果将磁场强度降低到可以形成吸积盘的程度，那么它的强度又不足以产生喷流。”

这意味着还有其他事情正在发生，科学家们希望通过直接寻找源头来找出它是什么：黑洞的母体 - 中子星。

科学家们意识到，之前对中子星坍缩的模拟可能并没有给出完整的图像。

“过去的模拟只考虑了孤立的中子星和孤立的黑洞，它们在坍缩过程中所有的磁性都会消失。然而，我们发现这些中子星也有自己的吸积盘，就像黑洞一样，”戈特利布说。“因此，我们的想法是，吸积盘或许可以保存中子星的磁场。这样，一个黑洞就会形成，其磁场线与穿过中子星的磁场线相同。”

研究小组的计算表明，当中子星在其所有磁场被新形成的黑洞吞噬之前坍缩时，中子星的圆盘会被黑洞继承，其磁场线会被固定下来。

信息图解释了黑洞如何继承磁性。图片来源：Lucy Reading-Ikkanda / 西蒙斯基金会

“我们计算了这些系统中预期出现的典型值，在大多数情况下，黑洞盘的形成时间比黑洞失去磁性的时间要短，”戈特利布说，“因此，黑洞盘使得黑洞能够从其母体——中子星——那里继承磁场。”

戈特利布对这一新发现感到兴奋，不仅因为它解决了一个长期存在的谜团，还因为它为进一步研究喷流打开了大门。

“这项研究改变了我们对哪些类型的系统能够支持喷流形成的思考方式，因为如果我们知道吸积盘暗示着磁性，那么理论上，只需要一个早期的吸积盘形成就能为喷流提供动力，”他说。“既然我们知道了这一点，我认为重新思考恒星群与喷流形成之间的所有联系将会很有趣。”

戈特利布将这项工作的完成归功于团队的科学和 CCA 的能力。

“这是一次多学科合作，使我们能够从不同方向探讨这个问题，并形成恒星坍缩后演化的连贯图景，”他说。“CCA 丰富的计算资源使我们能够比以往任何时候都更一致地模拟坍缩过程。我认为这两个方面促成了一种创新方法。”

编译自/scitechdaily