模擬超大質量黑洞吸積盤

約翰·格林沃爾德

2016年12月，美國普林斯頓大學及美國能源部普林斯頓等離子體物理實驗室的科學家在《物理評論快報》上撰文稱，他們發(fā)現了一種嚴格的新方法，可以用來模擬為銀河系中央超大質量黑洞提供能量的吸積盤。這一發(fā)現為模擬吸積盤助長黑洞的奇特過程奠定了基礎。

吸積盤是圍繞中心體轉動的等離子云，這些等離子云逐漸螺旋式下降，被巨大天體吸積，比如黑洞。黑洞是恒星崩塌時聚集成的高強度引力場。這些崩塌的恒星周圍是事件視界，在此邊界以內的光無法逃離。吸積盤朝事件視界的方向轉動時，為宇宙中最亮、最活躍的電磁輻射源提供能量。

銀河系中央存在一個巨大黑洞。科學家研究發(fā)現，這個黑洞位于人馬座，便將此黑洞命名為“人馬座A*”。人馬座A*的引力質量為太陽的400萬倍。然而，圍繞該黑洞的吸積盤的等離子體螺旋下降到此黑洞時輻射效率異常低，也就是說，等離子體釋放出的輻射比人們想象的少得多。

“那么問題來了，為什么這個吸積盤的活動那么慢呢？”論文第一作者馬修·昆茨提出了問題。馬修是普林斯頓大學天體物理學方向的助理教授，也是普林斯頓等離子體物理實驗室的物理學家。

為了找到這個問題的答案，他和普林斯頓大學天體物理學教授詹姆斯·斯通及美國加州大學伯克利分校理論天體物理學學科負責人艾略特·奎塔特考慮了人馬座A*超高溫黑洞吸積盤的特性。他們認為，該吸積盤的等離子體不僅溫度極高，而且異常稀薄，這導致它們之間不會發(fā)生碰撞。也就是說，等離子體內的質子和電子的運動軌道很少出現交叉的情況。

缺乏碰撞能力是人馬座A*黑洞吸積盤區(qū)別于其他吸積盤的顯著特征。其他吸積盤也環(huán)繞黑洞轉動，輻射更多且更明亮，亮度越高吸積盤內的等離子體越容易碰撞。20世紀90年代，科學家曾將吸積盤的碰撞過程用許多公式呈現出來，這些公式將等離子體視為導電的液體。但是昆茨教授指出，“這種模式不適用于環(huán)繞超大黑洞的吸積盤”，因為這些公式無法描述內部不發(fā)生碰撞的黑洞吸積盤變得不穩(wěn)定且呈螺旋形下降的過程。

為模擬人馬座A*黑洞吸積盤的轉動過程，昆茨教授及其合作者不再運用先前的公式（那些公式將相互碰撞的等離子體的運動視為一種宏觀滲流）。相反，他們采用了一種物理學家稱為“動力學”的方法，系統(tǒng)追蹤這些不會相互碰撞的單個粒子的運行軌跡。為了實現這一方法，昆茨教授、斯通教授及哈佛大學講師白雪寧共同設計了Pegasus計算機編碼，并用它生成了一套方程式，能夠更好地模擬超大質量黑洞吸積盤的運行狀態(tài)。

這一動力學方法能夠幫助天體物理學家理解環(huán)繞人馬座A*的黑洞吸積盤發(fā)光很少的原因。同時，研究結果還有助于科學家理解其他一些重要的問題，比如等離子體在各種極端環(huán)境下的磁化程度，以及如何增強磁場。

昆茨教授指出：“與天體物理觀測研究比較而言，這一新方法的目的是形成更多有關中心黑洞吸積盤輻射的預測模型?！碧祗w物理觀測研究在不同的天文臺或觀測臺上進行，如錢德拉X 射線天文臺以及即將建成的事件視界望遠鏡。前者是美國航空航天局1999年發(fā)射的一顆環(huán)繞地球軌道的衛(wèi)星，后者是由9個位于地球不同地區(qū)的無線電天文望遠鏡組成的觀測陣列。