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黑洞喷流中存在重金属原子

日期:2014-09-01

    大多掉入黑洞中的物质都能被分成数股能量喷射回太空中。天文学家们已经用多普勒测量法测出了喷射中的粒子飞行速度已经接近光速,这使得黑洞成了宇宙中最有力的加速方式。这一行为耗费能量的多少取决于喷射粒子的构成。催动一个像原子核这样的重粒子比催动电子耗费的能量要多得多。所以究竟这些喷射中包含的是什么类型的粒子呢?

 科学家们已在一处备选的恒星质量的黑洞中发现了重粒子在喷射中的移动速度是光速的三分之二这一特性。玛丽亚·特里戈与她的同事们在一处锚点锚点中发现有X射线与射电辐射,他们还发现其中强力射出的都是经过催动与离子化的高速运动的铁离子。相较于银河系中的其他黑洞,这一黑洞比较典型,所以这一新观察到的现象暗示着有着相似体系的其他黑洞皆有可能将质子与原子核喷射入周围空间。

 恒星质量的黑洞是在明显比太阳大得多的星体的核心中形成的。如此,相对于超大质量黑洞,一种比前述黑洞大几百万倍甚至几十亿倍的物质来说,它们便拥有了可以比得上那些星体的质量。但是,添加物(绕着黑洞运行并会掉入其中的物质)这一物理现象在两种类型的黑洞来说都会产生紫外线或者X射线。

 目前人们感兴趣的体系是4U 1630-47,一个由一颗星体及其能产生X射线辐射的伴生对象所组成的二元体系。像这些体系中最著名的那个一样,Cygnus X-1,即这一星体的伴生物,过于巨大到只能形成黑洞。这类锚点锚点(双黑洞)中的物理过程都是一样的:黑洞从星体上剥离气体,形成吸积盘与喷射。

 喷射是黑洞与周围物质互动的首要方法,它们往往具有很高的能量,质量很大。将物质喷射回太空中这一过程称为反馈。对于超大质量黑洞,反馈决定了远超黑洞重力范围的宿主星系的环境,甚至对恒星质量黑洞来说,反馈这一过程对其周围环境也很重要。

 然而,对于喷射的构成天文学家们还没有决定性的证据,他们不知道其是否含有重子——由夸克组成的重粒子,而不是电子一般的轻粒子。重子在一处黑洞的喷射中被发现(名为SS 433),但是这一体系不典型。

 质子比电子大两千多倍,并且除了氢原子之外,其他元素的原子核也要大得多,驱动一个重子所需的能量相应的也更多,所以找到喷射中的重子是测量黑洞能量的大小及其反馈对周边区域影响程度的方法。此外,喷射与星际气体之中的重子好比宇宙的粒子对撞机,产生冰立方或其他观象台可以观测到的中微子流。

 在4U 1630-47的案例中,研究者们核查了2012年这一星系短暂爆发时由XMM-牛顿天文台观测到的数据,他们把这些数据与同一时间由澳大利亚望远镜观测组得到的数据进行比较,得出这一活动是与一次黑洞喷射的爆发同时出现的结论。

 其次,研究者们也发现一次很强的辐射光谱分别与铁25或26的(即丢失24个或25个铁离子的铁)辐射大体一致。这些重子大约是电子质量的十万倍,需要很多能量来驱动。以这些辐射为基础,铁元素的移动速度可以达到光速的三分之二。

 基于这些数据绘制的4U 1630-47的物理图像相当清晰,由伴生星体剥离而来的物质组成了吸积盘,其热度足以使其中的所有原子离子化。黑洞的重力作用催动了其中的电子,质子还有粒子达到近乎光速的高速度,这些粒子的一部分由喷射回到星际空间,地球在黑洞爆发时碰巧与喷射轨迹相一致。(科学加估计大约离我们有15至30度的角度)。吸积盘中的能量会对这种辐射产生很大阻力,所以往往只有一次喷射是有力的。

 由于4U 1630-47是很典型的恒星质量黑洞,找到其喷射中的重子将很好的提示其他二元体系中的物质也应会喷涌而出。这对黑洞反馈的作用及其在构建星际空间环境方面所扮演的角色是重要的提示,在我们的星系中还有其他的体系,它们也会成为高能中微子与其他宇宙射线的来源。