模擬超大質(zhì)量黑洞吸積盤

約翰·格林沃爾德

2016年12月，美國(guó)普林斯頓大學(xué)及美國(guó)能源部普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家在《物理評(píng)論快報(bào)》上撰文稱，他們發(fā)現(xiàn)了一種嚴(yán)格的新方法，可以用來模擬為銀河系中央超大質(zhì)量黑洞提供能量的吸積盤。這一發(fā)現(xiàn)為模擬吸積盤助長(zhǎng)黑洞的奇特過程奠定了基礎(chǔ)。

吸積盤是圍繞中心體轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)聚集成的高強(qiáng)度引力場(chǎng)。這些崩塌的恒星周圍是事件視界，在此邊界以內(nèi)的光無法逃離。吸積盤朝事件視界的方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，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(gè)巨大黑洞。科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，這個(gè)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(zhì)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(shí)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(gè)吸積盤的活動(dòng)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(xué)天體物理學(xué)方向的助理教授，也是普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家。

為了找到這個(gè)問題的答案，他和普林斯頓大學(xué)天體物理學(xué)教授詹姆斯·斯通及美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校理論天體物理學(xué)學(xué)科負(fù)責(zé)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(rèn)為，該吸積盤的等離子體不僅溫度極高，而且異常稀薄，這導(dǎo)致它們之間不會(huì)發(fā)生碰撞。也就是說，等離子體內(nèi)的質(zhì)子和電子的運(yùn)動(dòng)軌道很少出現(xiàn)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(zhuǎn)動(dòng)，輻射更多且更明亮，亮度越高吸積盤內(nèi)的等離子體越容易碰撞。20世紀(jì)90年代，科學(xué)家曾將吸積盤的碰撞過程用許多公式呈現(xiàn)出來，這些公式將等離子體視為導(dǎo)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?yàn)檫@些公式無法描述內(nèi)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(zhuǎn)動(dòng)過程，昆茨教授及其合作者不再運(yùn)用先前的公式（那些公式將相互碰撞的等離子體的運(yùn)動(dòng)視為一種宏觀滲流）。相反，他們采用了一種物理學(xué)家稱為“動(dòng)力學(xué)”的方法，系統(tǒng)追蹤這些不會(huì)相互碰撞的單個(gè)粒子的運(yùn)行軌跡。為了實(shí)現(xiàn)這一方法，昆茨教授、斯通教授及哈佛大學(xué)講師白雪寧共同設(shè)計(jì)了Pegasus計(jì)算機(jī)編碼，并用它生成了一套方程式，能夠更好地模擬超大質(zhì)量黑洞吸積盤的運(yùn)行狀態(tài)。

這一動(dòng)力學(xué)方法能夠幫助天體物理學(xué)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(shí)，研究結(jié)果還有助于科學(xué)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(qiáng)磁場(chǎng)。

昆茨教授指出：“與天體物理觀測(cè)研究比較而言，這一新方法的目的是形成更多有關(guān)中心黑洞吸積盤輻射的預(yù)測(cè)模型?！碧祗w物理觀測(cè)研究在不同的天文臺(tái)或觀測(cè)臺(tái)上進(jìn)行，如錢德拉X 射線天文臺(tái)以及即將建成的事件視界望遠(yuǎn)鏡。前者是美國(guó)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(gè)位于地球不同地區(qū)的無線電天文望遠(yuǎn)鏡組成的觀測(cè)陣列。