對(duì)爆炸并坍縮成黑洞的高度磁化恒星的模擬表明，它們會(huì)將自己的磁場(chǎng)轉(zhuǎn)移到新黑洞周?chē)纬傻男D(zhuǎn)物質(zhì)盤(pán)上。黑洞是宇宙中最神秘的天體之一。它們最為人熟知的是，它將周?chē)囊磺欣霃?qiáng)大的引力陷阱，任何物體都無(wú)法逃脫。然而，它們也能發(fā)射強(qiáng)烈的帶電粒子流，形成爆炸性的伽馬射線暴，其在幾秒鐘內(nèi)釋放的能量比太陽(yáng)在其整個(gè)生命周期內(nèi)釋放的能量還要多。要發(fā)生這樣的事件，黑洞必須擁有強(qiáng)大的磁場(chǎng)。迄今為止，這種磁場(chǎng)的來(lái)源仍不清楚。
快速旋轉(zhuǎn)的黑洞吸積盤(pán)及其產(chǎn)生的黑洞噴流的3D渲染圖。圖片來(lái)源：Ore Gottlieb等人（2024）
通過(guò)對(duì)黑洞形成過(guò)程的詳細(xì)計(jì)算，F(xiàn)latiron 研究所的科學(xué)家及其合作者確定了這些磁場(chǎng)的起源：形成黑洞的坍縮恒星。該團(tuán)隊(duì)最近在《天體物理學(xué)雜志快報(bào)》上發(fā)表了他們的研究成果。
恒星在超新星爆炸后會(huì)形成黑洞，留下一個(gè)致密的核心，稱為原中子星。
“原中子星是黑洞之母，當(dāng)它們坍縮時(shí)，黑洞就誕生了。我們看到的是，隨著黑洞的形成，原中子星周?chē)膱A盤(pán)會(huì)將其磁力線固定在黑洞上，”該研究的第一作者、紐約市Flatiron研究所計(jì)算天體物理中心（CCA）的研究員Ore Gottlieb說(shuō)道。“最終了解了黑洞的這一基本特性，以及它們?nèi)绾螢?a class="keyword-search" >伽馬射線爆發(fā)——宇宙中最明亮的爆發(fā)——提供能量，這非常令人興奮?！?/p>
戈特利布與 CCA 研究員 Brian Metzger、Jared Goldberg、Matteo Cantiello 和 Mathieu Renzo 共同撰寫(xiě)了這項(xiàng)研究。
該團(tuán)隊(duì)最初的目標(biāo)是模擬恒星從誕生到坍縮再到黑洞形成的整個(gè)過(guò)程。他們計(jì)劃通過(guò)模擬研究黑洞的外流，例如產(chǎn)生伽馬射線爆發(fā)的噴流。然而，戈特利布的團(tuán)隊(duì)在模型上遇到了一個(gè)問(wèn)題。
“我們不確定如何模擬中子星坍縮成黑洞時(shí)這些磁場(chǎng)的行為，”戈特利布說(shuō)?！八裕@是我第一次思考的問(wèn)題?！?/p>
快速旋轉(zhuǎn)的黑洞吸積盤(pán)及其產(chǎn)生的黑洞噴流的3D渲染圖。圖片來(lái)源：Ore Gottlieb等人（2024）
關(guān)于黑洞及其磁性有幾種理論，但在解釋黑洞噴流和伽馬射線爆發(fā)的威力時(shí)，似乎沒(méi)有一種理論站得住腳。
“人們?cè)菊J(rèn)為的情況是，坍縮恒星的磁場(chǎng)正在坍縮進(jìn)黑洞，”戈特利布說(shuō)，“在坍縮過(guò)程中，這些磁場(chǎng)線被壓縮后變得更強(qiáng)，因此磁場(chǎng)的密度也會(huì)更高?！?/p>
這種解釋的問(wèn)題在于，恒星內(nèi)部的強(qiáng)磁場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致恒星失去自轉(zhuǎn)。如果沒(méi)有快速自轉(zhuǎn)，新生的黑洞就無(wú)法形成吸積盤(pán)——黑洞周?chē)臍怏w、等離子體、塵埃和粒子的流動(dòng)——也無(wú)法產(chǎn)生我們觀測(cè)到的噴流和伽馬射線爆發(fā)。
“這似乎是互相排斥的，”戈特利布說(shuō)。“噴流的形成需要兩個(gè)條件：強(qiáng)磁場(chǎng)和吸積盤(pán)。但通過(guò)這種壓縮獲得的磁場(chǎng)不會(huì)形成吸積盤(pán)，而如果將磁場(chǎng)強(qiáng)度降低到可以形成吸積盤(pán)的程度，那么它的強(qiáng)度又不足以產(chǎn)生噴流?！?/p>
這意味著還有其他事情正在發(fā)生，科學(xué)家們希望通過(guò)直接尋找源頭來(lái)找出它是什么：黑洞的母體 - 中子星。
科學(xué)家們意識(shí)到，之前對(duì)中子星坍縮的模擬可能并沒(méi)有給出完整的圖像。
“過(guò)去的模擬只考慮了孤立的中子星和孤立的黑洞，它們?cè)谔s過(guò)程中所有的磁性都會(huì)消失。然而，我們發(fā)現(xiàn)這些中子星也有自己的吸積盤(pán)，就像黑洞一樣，”戈特利布說(shuō)。“因此，我們的想法是，吸積盤(pán)或許可以保存中子星的磁場(chǎng)。這樣，一個(gè)黑洞就會(huì)形成，其磁場(chǎng)線與穿過(guò)中子星的磁場(chǎng)線相同?！?/p>
研究小組的計(jì)算表明，當(dāng)中子星在其所有磁場(chǎng)被新形成的黑洞吞噬之前坍縮時(shí)，中子星的圓盤(pán)會(huì)被黑洞繼承，其磁場(chǎng)線會(huì)被固定下來(lái)。
信息圖解釋了黑洞如何繼承磁性。圖片來(lái)源：Lucy Reading-Ikkanda / 西蒙斯基金會(huì)
“我們計(jì)算了這些系統(tǒng)中預(yù)期出現(xiàn)的典型值，在大多數(shù)情況下，黑洞盤(pán)的形成時(shí)間比黑洞失去磁性的時(shí)間要短，”戈特利布說(shuō)，“因此，黑洞盤(pán)使得黑洞能夠從其母體——中子星——那里繼承磁場(chǎng)?！?/p>
戈特利布對(duì)這一新發(fā)現(xiàn)感到興奮，不僅因?yàn)樗鉀Q了一個(gè)長(zhǎng)期存在的謎團(tuán)，還因?yàn)樗鼮檫M(jìn)一步研究噴流打開(kāi)了大門(mén)。
“這項(xiàng)研究改變了我們對(duì)哪些類(lèi)型的系統(tǒng)能夠支持噴流形成的思考方式，因?yàn)槿绻覀冎牢e盤(pán)暗示著磁性，那么理論上，只需要一個(gè)早期的吸積盤(pán)形成就能為噴流提供動(dòng)力，”他說(shuō)。“既然我們知道了這一點(diǎn)，我認(rèn)為重新思考恒星群與噴流形成之間的所有聯(lián)系將會(huì)很有趣。”
戈特利布將這項(xiàng)工作的完成歸功于團(tuán)隊(duì)的科學(xué)和 CCA 的能力。
“這是一次多學(xué)科合作，使我們能夠從不同方向探討這個(gè)問(wèn)題，并形成恒星坍縮后演化的連貫圖景，”他說(shuō)?！癈CA 豐富的計(jì)算資源使我們能夠比以往任何時(shí)候都更一致地模擬坍縮過(guò)程。我認(rèn)為這兩個(gè)方面促成了一種創(chuàng)新方法?！?/p>
編譯自/scitechdaily
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