天文学家弄清楚了黑洞是如何在光年外的空间中喷射出相对论性物质天文学家弄清楚了黑洞是如何在光年外的空间中喷射出相对论性物质博科园百家号【博科园-科学科普】自从爱因斯坦的广义相对论预言了黑洞的存在之后，黑洞就一直是人们着迷的源泉。在过去的100年里，对黑洞的研究取得了相当大的进展，但是这些物体的敬畏和神秘仍然存在。例如科学家们已经注意到，在某些情况下，黑洞会产生大量的带电粒子流，这些粒子从这些粒子中喷射出数百万光年。从黑洞喷射出的相对论性射流的概念图。图片版权：Northwestern University这些相对论性的喷射物——之所以得名，是因为它们以微弱的光速推进带电粒子，多年来一直困扰着天文学家。但是由于最近由一个国际研究小组进行的一项研究，这些喷射物获得了新的解释。与广义相对论一致的是，研究人员发现这些喷射流逐渐进入(即改变方向)，因为时空被拉入黑洞旋转的过程中。他们的研究标题为“在三维一般相对论性的MHD模拟中，由倾斜的黑洞盘形成的喷气机的形成”，最近发表在皇家天文学会的月报中。该研究小组成员来自阿姆斯特丹大学的安东·潘内科克研究所(Anton Pannekoek Institute for天文学)，以及西北大学天体物理学(CIERA)的跨学科探索与研究中心(CIERA)教授。研究小组在伊利诺伊大学的蓝色水域超级计算机上进行了模拟。他们所进行的模拟是第一次模拟来自超大质量黑洞(SMBHs)的相对论性射流的行为。在接近10亿个计算单元的情况下，它也是迄今为止所实现的吸积黑洞的最高分辨率模拟。正如西北大学温伯格艺术与科学学院的物理学和天文学助理教授亚历山大·契科夫斯科伊(Alexander Tchekhovskoy)在最近的西北大学新闻发布会上解释的那样：了解旋转的黑洞如何拖曳它们周围的时空，以及这个过程如何影响我们通过望远镜所看到的东西，这仍然是一个至关重要的难题。幸运的是在超级计算机体系结构的代码开发和飞跃方面的突破使我们越来越接近于找到答案。就像所有的超大质量黑洞一样，快速旋转的SMBHs会经常吞噬(aka)。然而快速旋转的黑洞也因其以相对论喷射形式释放能量的方式而闻名。给这些黑洞提供食物的物质在它们周围形成了一个旋转的圆盘。一种吸积盘，其特征是热的、带电的气体和磁场线。这些电场线的存在允许黑洞以这些喷射流的形式推进能量。因为这些喷射流非常大，所以比黑洞本身更容易研究。这样一来天文学家就能理解这些射流的方向变化的快慢，从而揭示了黑洞自身旋转的情况——比如旋转圆盘的方向和大小。在对黑洞的研究中，先进的计算机模拟是必要的，很大程度上是因为它们在可见光下无法观测到，而且通常在很远的地方。例如离地球最近的SMBH是人马座A*，它位于距离我们星系中心约26000光年的地方。因此模拟是确定像黑洞这样高度复杂的系统如何运作的唯一方法。在之前的模拟中，科学家们假设黑洞的圆盘是对齐的。然而大多数SMBHs都被发现有倾斜的圆盘——即圆盘绕着一个单独的轴旋转，而不是黑洞本身。因此这项研究具有重大意义，因为它表明了圆盘是如何改变相对于黑洞的方向的，从而导致喷气飞机周期性地改变方向。这在以前是未知的，因为要构建一个快速旋转的黑洞周围区域的三维模拟，需要的计算能力非常之多。在国家科学基金会(NSF)的资助下，该团队通过使用世界上最大的超级计算机之一的蓝色水域实现了这一目标。人马座A*中发现异常明亮的x射线，这是银河系中心的超大质量黑洞。图片版权：NASA/CXC/Stanford/I. Zhuravleva et al.有了这台超级计算机，这个团队就能够建造第一个黑洞模拟代码，他们使用图形处理单元(gpu)加速。由于这一组合，研究小组得以进行了有史以来最高分辨率的模拟——即接近10亿个计算单元。Tchekhovskoy解释说：高分辨率使我们首次能够确保在我们的模型中精确捕捉到小规模的湍流磁盘运动。令我们惊奇的是，这些运动竟然如此强烈，以致于它们使圆盘变平，使圆盘的旋进停止，这表明岁差可以爆发。相对论射流的旋进可以解释为什么在过去的黑洞周围观测到光的波动，这被称为准周期振荡(QPOs)。这些光束最初是由Michiel van der Klis(该研究的共同作者之一)发现的，它的运作方式与类星体的光束相似，后者似乎有一种频闪效应。这项研究是世界上正在进行的许多旋转黑洞的研究之一，目的是为了更好地了解最近的发现，如引力波，这是由黑洞合并引起的。这些研究也被应用于事件视界望远镜的观测，该望远镜捕捉到了人马座A* s阴影的第一张图像。将揭示的东西肯定会让人兴奋和惊奇，并可能加深黑洞的神秘。在过去的一个世纪里，对黑洞的研究已经取得了相当大的进展——从纯理论的研究，到对它们对周围物质的影响的间接研究，以及对引力波本身的研究。也许有一天，可以直接研究它们或者(如果没有太多希望的话)直接观察它们！知识：科学无国界，博科园-科学科普参考：Northwestern Now, MNRAS作者：Matt Williams内容：“博科园”判定符合今主流科学来自：Universe Today编译：中子星审校：博科园解答：本文知识疑问可于评论区留言传播：博科园本文由百家号作者上传并发布，百家号仅提供信息发布平台。文章仅代表作者个人观点，不代表百度立场。未经作者许可，不得转载。博科园百家号最近更新：简介:博科园-科学科普，传递宇宙科学之美！作者最新文章相关文章超级中子星吞噬小型黑洞，黑洞竟喷出大量黄金
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超级中子星吞噬小型黑洞，黑洞竟喷出大量黄金
趣味探索讯 我们知道黄金是地球上稀有而又珍贵的重金属，地球上黄金并不是宇宙一开始就存在的物质，而是在宇宙形成初期的过程中制造的，宇宙中原本就只存在着两种物质氢和氦。宇宙中普通天体碰撞引起的大爆炸，产生的高温及压强，能让宇宙中初期的氢原子及氦原子的原子核发生聚变及裂变，能产生铁、钙、硅等多种元素物质。这种爆炸只能产生普通元素及少量像黄金样稀有金属，显示这种爆炸只能够产生宇宙中一部分元素，不足以支撑整个宇宙多少亿年来的演化，或许宇宙中还存在着另一种不为人知的制造其它重金属元素的方法。在宇宙中，两个致密的中子星相撞，这绝对上称得上是宇宙中一大难得的奇观，科学家认为，这种撞击是非常罕见的，这种撞击能产生宇宙最高的温度，核心温度高达1万亿摄氏度，只有这种绝对温度才能产生大量的黄金、汞、铬等稀有重金属。似乎这种解释是比较合理的，但却存在着一个问题，既然两中子相撞是一种罕见现象，显示撞击次数有限，不足以产生大量的稀有贵重的金属元素。一项最新的探索和研究发现，在宇宙形成初期，一颗超级中子星遭遇了一个原始小型黑洞，相互吸引着并想吃掉对方，这颗超级中子星的质量可能是太阳的一亿倍，最终中子星慢慢地蚕食掉了黑洞，黑洞本身上就是一个虚无空间，它能渗透表层慢慢地向中子星内核移动。这一过程会导致中子星加速旋转，核心黑洞开始消耗中子星物质并成长。中子星开始迅速旋转，并将富含中子星致密物质喷射到宇宙中。这种致密物质元素减压，产生的β衰变能将一些中子转化为质子，随后将快速形成大量的原子核。这些原子核就是宇宙中稀有的重金属元素黄金等等。中子星吃掉黑洞能产生黄金的假设，的确不可思议，虽科学家在宇宙中并没有找到和行星大小相似原始的黑洞，但科学家相信或许它们真的存在，跟宇宙中的暗物质一样，黑洞本身就不会被人类发现，它虽经常跟宇宙中的行星及恒星经常互动，但只有中子星的超强引力才能捕获住它。宇宙中似乎已经存在着中子星与原始黑洞相互作用产生黄金等稀有金属的证据，只是地球人类还没有意识到某些现象就是最好的证据，多年来，科学家探测到宇宙存在无数次快速、神秘、超强无线电爆发，很可能来自于吃掉原始黑洞的中子星内部爆发，产生的脉冲信号。 这一理论还有待进一步证实，未来人类对宇宙探索，将会有更多的新发现。文章参考：物理世界。本文来自于探索宇宙的微信公众号“有趣探索”的作者。
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原始黑洞是否存在？吞噬中子星喷出重元素成探测依据
重元素或为原始黑洞存在依据
　　新浪科技讯 北京时间8月28日消息，据国外媒体报道，宇宙大爆炸之后，宇宙中的物质立即变得极为稠密，还会如涟漪般随意波动。会不会某些区域的密度达到足够高之后、便坍缩形成了黑洞呢？
　　这种原始黑洞猜想已经在理论界流传了一段时间，部分原因是因为，它们可以提供大量构成宇宙主体的暗物质。但要检验这种黑洞是否存在，就需要它们产生某种能被我们探测到的依据。对此，理论学家有些一筹莫展。不过，三名物理学家组成的团队近日提出了一条探测依据：这种黑洞也许可以吞噬中子星，且在合适情况下，会向外喷出重元素。
　　事实还是结果
　　原始黑洞与通过巨恒星坍缩形成的黑洞有两点区别。其一，原始黑洞的质量悬殊巨大，有的可能连一颗恒星都不到，有的则可能重达超新星爆炸时形成的任何物质的数千倍。其中较重的黑洞更具吸引力，因为它们可以解释为何宇宙诞生后不久便出现了超大质量黑洞。
　　第二点区别是，原始黑洞在宇宙时间线上出现得更早。早在恒星诞生之前，暗物质的影响就已经十分明显了，而在宇宙开始扩张之后形成的黑洞均以恒星为前身。由于原始黑洞出现得更早，也许现今暗物质中的一大部分都与其有关。不过有多项研究指出，具体多少也是有限度的。
　　问题在于，无论是上述的哪一点，我们都无法进行详细考察，因此无法确定原始黑洞是否存在。因此，虽然这些天体从理论而言是成立的，但它们并没有对当今宇宙造成什么影响，使我们无从搜寻。
　　但如果这次科学家所言不虚，那就是另外一回事了。在此次发表的新论文中，作者们描述了原始黑洞吞噬快速旋转的中子星时产生的特殊效果。
　　邂逅中子
　　请想象一个直径与曼哈顿相当、以几毫秒一圈的速度高速旋转的圆球。如果往上面放一个黑洞，会发生什么情况呢？
　　这就是这篇论文要解决的根本问题。黑洞吞噬物质的速度是有限制的，因此接触黑洞后，中子星不会被立即摧毁。相反，黑洞会在中子星中央固定下来，从内到外将其吞噬一空。
　　黑洞吞食中子星时，中子星会逐渐收缩。由于角动量守恒，它会旋转得越来越快。别忘了，它的旋转速度本来就够快了。最终，中子星靠近赤道的外层物质也许能够达到逃逸速度。约等于太阳质量十分之一的物质将被甩入宇宙中。
　　在正常情况下，一堆中子显然不够稳定，将通过各种反应迅速转化为原子。但论文作者指出，最终的产物将是质量较重、富含中子的原子核。这一点很有意思。重原子核通常是通过“快反应过程”（r-process）形成的，即中子的快速集聚过程。这需要用中子快速轰击原子，使得原子还没来得及对前一颗中子做出反应，就已经吸收了下一颗中子。最终，原子核中的质子和中子达到了一定数量，便形成了重元素。
　　虽然人们普遍认为超新星爆炸可以提供快反应过程发生的条件，但科学家仍在努力验证这一点。不过，此次发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上的论文认为，这些重元素不需要超新星爆炸也可以形成。论文中指出，宇宙中重元素的分布与原始黑洞和中子星的反应结果基本一致。
　　事实上，论文作者认为这种反应机制可以解答各种天文未解之谜，从非重复快速射电爆发，到超级超新星爆炸（kilonovas），再到星系产生暗物质的途径。此外，黑洞本身便含有宇宙中约10%的暗物质。
　　此次研究的价值在于，它提出了一项预测。如果我们观测到了附近的超级超新星爆炸或快速射电爆发现象，引力波探测仪也许能感受到某种扰动，但随之而来的不会是黑洞旋转合并时产生的正常波形，因为黑洞已经置身于另一天体内部。目前，我们只能再等上几年，等更多的探测器被研发出来。然后继续等待观测半径内发生某起上述天文事件。（叶子）
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