天体物理学家利用模型准确预测了观测到的M87黑洞喷流的形态

天体物理学家利用模型准确预测了观测到的M87黑洞喷流的形态 自从发现喷流以来，包括诺贝尔奖获得者罗杰-彭罗斯爵士在内的许多学者都在研究这些神秘现象的形成。目前，有两种主要模型试图解释喷流的形成："BZ-喷流模型"是以研究人员布兰福德和兹纳杰克的名字命名的，也是目前最有影响力的模型，它认为喷流是通过与黑洞事件视界相连的磁场线从黑洞中提取自旋能量而形成的。与此相反，第二种模型认为喷流是通过从黑洞的吸积盘中提取旋转能量形成的。后者是在黑洞强大引力作用下围绕黑洞旋转的电离气体的集合。第二种模型可以被称为"圆盘-喷流模型"。尽管其他研究人员已经使用 BZ 射流模型模拟了广义相对论准直外流，实际上也就是射流，但还不清楚 BZ 射流模型能否解释观测到的实际射流的形态，包括其拉长的结构、宽度和边缘增亮（即射流边缘附近亮度增加）。为了研究这两个模型的有效性，中国科学院上海天文台袁峰博士领导的一个国际研究小组计算了这两个模型分别预测的位于室女座巨型星系Messier 87（M87）中心的超大质量黑洞的喷流。研究小组随后将计算结果与对M87喷流的实际观测结果进行了比较，后者被记录在事件地平线望远镜（EHT）首次捕捉到的黑洞图像中。研究小组的研究表明，BZ-喷流模型准确地预测了观测到的M87喷流的形态，而圆盘-喷流模型则难以解释观测结果。该研究发表在《科学进展》（Science Advances）上。模型预测图像与观测图像的对比研究小组首先采用了三维广义相对论磁流体力学（GRMHD）模拟来再现M87喷流的结构。为了计算模拟喷流的辐射并将辐射与观测结果进行比较，辐射电子的能谱和空间分布至关重要。研究小组假设电子加速是通过"磁重联"发生的，即磁能转化为动能、热能和粒子加速的过程。根据这一假设，研究小组结合粒子加速研究的结果，利用动力学理论求解了稳态电子能量分布方程。然后，研究小组获得了模拟射流不同区域的电子能量谱和数量密度。在距离核心的三个距离上，由基准模型预测的边缘增亮（实线）及其与观测数据的比较（虚线）将这些信息与吸积模拟（包括磁场强度、气体等离子体温度和速度）相结合，研究小组获得了可以与实际观测结果进行比较的结果。结果显示，BZ-喷流模型预测的喷流形态与观测到的M87喷流形态非常吻合，包括喷流宽度、长度、边缘增亮特征和速度。相比之下，盘状喷流模型的预测结果与观测结果不一致。此外，研究小组还分析了磁再连接过程，发现它是由于M87黑洞吸积盘中的磁场产生的磁爆发造成的。这些爆发对磁场造成了强烈的扰动，这种扰动可以传播很远的距离，从而导致喷流中的磁重联。这项工作弥合了喷流形成动态模型与各种观测到的喷流特性之间的差距，首次证明 BZ 喷射模型解决了喷流的能量问题，也解释了其他观测结果。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

欧洲核子研究中心实验室再现物质/反物质黑洞喷流

欧洲核子研究中心实验室再现物质/反物质黑洞喷流 Fireball合作小组利用欧洲核子研究中心的HiRadMat设施产生了一种物质和反物质喷流的模拟，这种喷流从一些黑洞和中子星中喷涌而出。在欧洲核子研究中心的 HiRadMat 设备上，研究人员制造出了一束高密度电子-正电子等离子体束，模拟了来自黑洞的天体物理喷流，为研究太空现象提供了新的视角。这些实验有助于用真实世界的数据验证理论模型，为深入了解黑洞喷流等宇宙事件铺平道路。潜入一个活跃星系的中心，你会发现一个超大质量黑洞正在吞噬周围的物质。在大约十分之一的此类星系中，黑洞还会以接近光速的速度喷射出物质射流。这种相对论黑洞喷流被认为包含了电子对及其反物质等价物正电子的等离子体等成分。这种相对论电子-正电子等离子体被认为会影响黑洞及其环境的动力学和能量预算。但究竟是如何发生的，人们仍然知之甚少，因为既很难用天文观测来测量等离子体，也很难用计算机程序来模拟它。在最近发表于《自然-通讯》（Nature Communications）的一篇论文中，查尔斯-阿罗史密斯（Charles Arrowsmith）和火球合作项目的同事们报告了他们是如何利用欧洲核子研究中心（CERN）的 HiRadMat 设备产生一束电子-正电子等离子体相对论束，从而在实验室实验中对这种介质进行详细研究的。活动星系半人马座 A，等离子体喷流从其中央黑洞喷出。资料来源：ESO/WFI（光学），MPIfR/ESO/APEX/A.Weiss et al.（亚毫米波）、NASA/CXC/CfA/R.天体物理现象的实验室复制在不同类型的实验室配备的高功率激光设施可以通过多种方式产生电子-正电子对的相对论束。然而，现有的方法都无法产生维持等离子体所需的电子-正电子对数量，而等离子体是一种物质状态，其中各组成粒子之间的连接非常松散。如果不能维持等离子体，研究人员就无法研究这些黑洞喷流的类似物在穿过相当于星际介质的实验室时是如何变化的。这项研究是解释地面和太空望远镜观测结果的关键。阿罗史密斯及其同事在欧洲核子研究中心的 HiRadMat 设备上找到了满足这些要求的方法。他们的方法是从实验室的超级质子同步加速器（Super Proton Synchrotron）中在仅纳秒级的时间内提取出高达三千亿个质子，然后将它们发射到石墨和钽靶上，在此过程中，一连串的粒子相互作用产生了大量的电子-正电子对。 通过使用一套仪器测量产生的相对论电子-正电子束，并将结果与复杂的计算机模拟结果进行比较，阿罗史密斯及其合作者发现，电子-正电子束中的电子-正电子对数量超过十万亿对，是以前的十倍到百倍，首次超过了维持等离子体状态所需的数量。阿罗史密斯说："电子-正电子等离子体被认为在天体物理喷流中扮演着重要角色，但这些等离子体和喷流的计算机模拟从未在实验室中进行过测试。实验室实验是验证模拟的必要条件，因为看似合理的模拟计算简化有时会导致截然不同的结论"。该结果是火球合作项目在 HiRadMat 进行的一系列实验的第一个结果。"这些实验的基本理念是在实验室中重现天体物理现象的微观物理学，例如来自黑洞和中子星的喷流，"论文合著者、首席研究员吉安卢卡-格雷戈里（Gianluca Gregori）说。"我们对这些现象的了解几乎完全来自天文观测和计算机模拟，但望远镜无法真正探测微观物理，模拟也涉及近似值。像这样的实验室实验是这两种方法之间的桥梁。"阿罗史密斯及其同事在 HiRadMat 等离子体实验中的下一个目标是让这些强大的射流在一米长的等离子体中传播，并观察它们之间的相互作用是如何产生磁场使射流中的粒子加速的这是高能天体物理学中最大的难题之一。"火球实验是 HiRadMat 最新增加的实验项目之一，"该设施的运营经理 Alice Goillot 说。"我们期待着利用欧洲核子研究中心加速器综合体的独特性能继续重现这些罕见的现象。"编译自/scitechdaily ... PC版： 手机版：

天空中的粒子加速器：NASA的IXPE探索"微类星体"机制

天空中的粒子加速器：NASA的IXPE探索"微类星体"机制 这张海牛星云的合成图捕捉到了 SS 433 喷出的喷流，SS 433 是一个黑洞，它正在吞噬产生它的超新星残余物中的物质。利用 IXPE 航天器数据进行的新研究，特别是通过对微类星体 SS 433 的研究，揭示了黑洞的粒子加速现象。这项工作揭示了喷流内的磁场与它们的运动是一致的，这与之前的理论相矛盾，增强了我们对这种宇宙现象的理解。研究人员利用美国国家航空航天局（NASA）的IXPE（X射线极坐标成像探测器）航天器的数据得出的最新发现，为科学家们提供了粒子加速如何在这种极端环境中发生的新线索。这些观测数据来自一颗"微类星体"，这是一个由黑洞从伴星虹吸物质组成的系统。近距离观察 SS 433这颗微类星体（Stephenson and Sanduleak 433，简称 SS 433）位于天鹰座超新星残余物 W50 的中心，距离地球约 1.8 万光年。SS 433强大的喷流扭曲了残余物的形状，并为它赢得了"海牛星云"的绰号，其速度大约是光速的26%，即每秒超过48000英里。SS 433 于 20 世纪 70 年代末被发现，是迄今为止发现的第一颗微类星体。IXPE 的三个机载望远镜测量 X 射线光的一种特殊性质，即偏振，它告诉科学家 X 射线频率下电磁波的组织和排列情况。X 射线偏振有助于研究人员了解宇宙极端区域内发生的物理过程，如黑洞周围的环境，以及粒子如何在这些区域内加速。残余物发出的无线电波呈蓝绿色，而由 IXPE、XMM-牛顿和钱德拉合成的 X 射线则以明亮的蓝紫色和粉白色为主色调，红外线数据则以红色为背景。黑洞以接近光速的速度喷射出两个方向相反的物质射流，扭曲了残余物的形状。喷流在距离黑洞大约 100 光年的地方变得明亮，粒子在喷流内部的冲击下被加速到非常高的能量。IXPE 数据显示，在粒子加速过程中起关键作用的磁场与喷流平行排列这有助于我们了解天体物理喷流是如何将这些粒子加速到高能量的。突破性发现和对未来的影响IXPE 在 2023 年 4 月和 5 月花了 18 天时间研究 SS 433 东叶的一个这样的加速点，高能电子在磁场中螺旋运动产生了辐射这一过程被称为同步辐射。"IXPE数据显示，加速区域附近的磁场指向喷流移动的方向，"美国宇航局位于阿拉巴马州亨茨维尔的马歇尔太空飞行中心的天体物理学家菲利普-卡亚雷特（Philip Kaaret）说，他是IXPE任务的首席研究员，也是SS 433上一篇关于研究结果的新论文的主要作者。他说："通过 IXPE 看到的高水平极化表明，磁场是有序的，至少有一半的磁场朝同一方向排列。"他说，这一发现出乎意料。研究人员长期以来一直认为，喷流与星际介质（恒星之间的气体和尘埃环境）之间的相互作用很可能会产生冲击，从而导致磁场紊乱。美国国家航空航天局的成像 X 射线极化探测器（IXPE）。资料来源：美国国家航空航天局卡亚雷特说，这些数据提出了一种新的可能性当强大的喷流与星际物质碰撞时，它们内部的磁场可能会被"困住"并被拉伸，从而直接影响它们在粒子加速区域的排列。自 20 世纪 80 年代以来，研究人员就推测 SS 433 的喷流起到了粒子加速器的作用。2018年，墨西哥普埃布拉高空水切伦科夫天文台的观测人员验证了喷流的加速效应，科学家们利用美国宇航局的NuSTAR（核光谱望远镜阵列）和欧洲航天局的XMM-牛顿天文台精确定位了加速区域。随着研究人员继续评估 IXPE 的发现并研究太空中的新目标，其数据还有助于确定相同的机制是否会使各种现象从超新星残留物中流出的黑洞喷流到从爆发的恒星（如耀斑）中喷出的碎片所排出的外流中的磁场保持一致。IXPE 任务的意大利首席研究员保罗-索菲塔（Paolo Soffitta）说："IXPE 的 X 射线偏振计的成像能力使这一非常精细的测量成为可能，从而在距离中心黑洞 95 光年的喷流小区域内探测到了微弱信号。"这篇新论文详细介绍了 IXPE 在 SS 433 上的观测情况，发表在最新一期的《天体物理学报》上。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

来自宇宙的幽灵粒子：冰立方的中微子搜索将改写天体物理学

来自宇宙的幽灵粒子：冰立方的中微子搜索将改写天体物理学 每秒钟大约有一万亿个叫做中微子的微小粒子穿过你的身体。这些在宇宙大爆炸期间产生的"遗迹"中微子遍布整个宇宙，但它们不会伤害你。事实上，在你的一生中，只有一个中微子有可能轻触你体内的一个原子。由黑洞等天体产生的大多数中微子比漂浮在太空中的遗迹中微子能量大得多。虽然这些高能中微子更为罕见，但它们更有可能撞上什么东西，并产生像我这样的物理学家可以探测到的信号。但为了探测到它们，中微子物理学家不得不建造非常大型的实验。冰立方就是这样一个实验，它在2024年4月发表的一项研究中记录了一种特别罕见的高能天体物理中微子。这些高能中微子经常伪装成其他更常见类型的中微子。但是，我和我的同事第一次成功地探测到了它们，从近 10 年的数据中提取出了一些。它们的出现让像我这样的研究人员离揭开天体中微子等高能粒子如何产生之谜更近了一步。冰立方位于数以吨计的透明冰层上，让科学家们能够看到中微子的相互作用。资料来源：克里斯托弗-米歇尔冰立方中微子天文台冰立方中微子天文台是大型中微子实验中重达 800 磅的庞然大物。它拥有约 5000 个传感器，十多年来一直在仔细观察南极地下的千兆吨冰层。当中微子与冰层中的原子碰撞时，会产生一个光球，传感器会将其记录下来。当中微子穿过冰立方时，其中的一小部分会与冰中的原子相互作用并产生光，传感器会记录下这些光。在视频中，球体代表各个传感器，每个球体的大小与其探测到的光的多少成正比。颜色表示光的相对到达时间，根据彩虹的颜色，红色到达时间最早，紫色最晚。冰立方已经探测到在多个地方产生的中微子，如地球大气层、银河系中心以及许多光年外其他星系的黑洞。但是，中微子中的一种高能中微子tau 中微子，却一直躲避着冰立方直到现在。 中微子有三种不同类型，物理学家称之为"味道"。每种味道都会在冰立方这样的探测器上留下独特的印记。当中微子撞击另一种粒子时，通常会产生与其味道相对应的带电粒子。μ介子中微子产生μ介子，电子中微子产生电子，头中微子产生头。具有μ介子味道的中微子具有最明显的特征，因此我和冰立方合作小组的同事们自然首先寻找这些中微子。μ介子中微子碰撞释放出的μ介子在衰变前会穿过数百米的冰层，形成一条长长的可探测光轨。通过这条轨迹，研究人员可以追踪中微子的来源。研究小组接下来研究了电子中微子，其相互作用产生了一个大致球形的光球。电子中微子碰撞产生的电子永远不会衰变，它会撞向它靠近的冰层中的每一个粒子。在电子最终静止之前，这种相互作用会留下一个不断膨胀的光球。由于电子中微子的方向很难用肉眼辨别，冰立方的物理学家们应用机器学习技术来回溯电子中微子可能产生的位置。这些技术利用复杂的计算资源，调整数百万个参数，将中微子信号从所有已知背景中分离出来。第三种中微子tau中微子是三重奏中的变色龙。一个tau中微子可以显示为一条光轨，而下一个tau中微子则可以显示为一个球。在碰撞中产生的头中微子在衰变前只飞行了几分之一秒，当它衰变时，通常会产生一个光球。这些tau中微子会产生两个光球，一个是它们最初撞击到某个物体并产生tau粒子，另一个则是tau粒子本身发生衰变。大多数情况下，中微子只飞行了很短的距离就衰变了，这使得两个光球重叠得非常厉害，以至于无法与一个光球区分开来。但在能量较高的情况下，发射出的tau粒子可以飞行数十米，导致两个光球彼此分离。掌握了这些机器学习技术的物理学家可以看穿这一点，从而大海捞针。 高能tau中微子利用这些计算工具，研究小组成功地从大约10年的数据中提取出7个强候选tau中微子。这些tau中微子的能量甚至比地球上最强大的粒子加速器还要高，这意味着它们一定来自天体物理源，比如黑洞。这些数据证实了冰立方先前发现的天体物理中微子，也证实了冰立方先前发现的天体物理tau中微子的蛛丝马迹。这些结果还表明，即使在最高能量和最远距离上，中微子的行为方式也与它们在较低能量下的行为方式基本相同。特别是，对天体物理tau中微子的探测证实，来自遥远来源的高能中微子会改变味道或振荡。能量更低的中微子在更短的距离内也会以同样的方式振荡。黑洞，如图中的黑洞，可以发射高能中微子。图片来源：NASA / CXC / M. Weiss随着"冰立方"和其他中微子实验收集到更多数据，科学家们也更善于区分三种中微子，研究人员最终将能够猜测来自黑洞的中微子是如何产生的。我们还想弄清楚，地球与这些遥远的天体物理中微子加速器之间的空间是否会根据粒子的质量对粒子进行不同的处理。与来自宇宙大爆炸的更常见的中微子相比，高能量的头中微子及其μ介子和电子表亲总是要少一些。但它们的数量足以帮助像我这样的科学家寻找宇宙中最强大的中微子发射器，并研究两者之间的无限空间。作者：道格-考恩（Doug Cowen），宾夕法尼亚州立大学物理教授、天文学和天体物理学教授。编译自/scitechdaily ... PC版： 手机版：

科学家研究出“黑洞炸弹” 原子核大小就能炸死10亿人

科学家研究出“黑洞炸弹” 原子核大小就能炸死10亿人 参考系拖曳是指自转的天体会扭曲周围的空间，而坠向它的物体会被拖曳着，沿天体自转的方向加快速度。科学家在地球附近就曾观测到过轻微的参考系拖曳效应，而在强大的自转的黑洞附近，这种效应无疑会非常明显，甚至能会强大到让黑洞“能层”(ergosphere)内运行的天体，环绕黑洞运行的速度甚至超过自由空间中的光速。进入“彭罗斯过程”的天体运行轨迹让一个物体进入快速自转黑洞的能层，并向黑洞释放部分质量或辐射，黑洞就会将这个物体以高于其进入能层的速度甩开，并使之获得额外的能量，黑洞自转速度则会变慢。这就是“彭罗斯过程”，理论上可以最多将黑洞质量的20％转化成能量。要知道，氢聚变也只能将大约1％的质量转换为能量。科学家显然是不会满足的，既然可以做到20％，为什么不能更多？一个自转的带电黑洞在最新的研究中，科学家试图通过粒子衰变汲取黑洞的能量，因为粒子衰变会产生“Banados-Silk-West效应”。使用某种电磁或物理镜面约束，让粒子在黑洞事件视界附近反复跳跃，就可以持续吸收能量，衰变之后我们就能间接收获黑洞的能量了。当然，这种方法极其危险，一旦失控，粒子能就会逐级放大，最终让黑洞变成一颗威力无比的“黑洞炸弹”。科学家推测，即便是原子核大小的黑洞，一旦变成“炸弹”，就可以轻松炸死10亿人。但也不是没办法控制，比如将带电的黑洞放在“反德西特空间”(Anti-de Sitter space)之中，空间本身就能起到约束作用，让黑洞自行释放能量。“德西特空间”(de Sitter space)是指带有正宇宙学常数的空旷宇宙，反德西特空间就是带有负宇宙常数的空旷宇宙。“反德西特空间”示意图 ... PC版： 手机版：

黑洞在宇宙大爆炸后不到十亿年形成类星体

黑洞在宇宙大爆炸后不到十亿年形成类星体 早期宇宙中似乎不可能存在超大质量黑洞，这已经是个问题了；詹姆斯-韦伯太空望远镜发现了更早的超大质量黑洞星系，这只会让问题变得更糟。在最新的例子中，研究人员利用韦伯望远镜描述了一个由超大质量黑洞驱动的类星体，它存在于宇宙大爆炸后大约7.5亿年。它看起来正常得令人震惊。类星体是宇宙中最亮的天体，由主动进食的超大质量黑洞提供能量。它们周围的星系为它们提供了足够的物质，使它们形成了明亮的吸积盘和强大的喷流，两者都会释放出大量的辐射。它们通常有一部分被尘埃笼罩，尘埃吸收了黑洞释放的部分能量后会发光。这些类星体发出的辐射量非常大，最终会把附近的一些物质完全赶出星系。因此，早期宇宙中存在的这些特征将告诉我们，超大质量黑洞不仅存在于早期宇宙中，而且还与星系融为一体，就像近代的星系一样。但是要研究它们却非常困难。首先，我们发现的超大质量黑洞并不多；只有九颗类星体可以追溯到 8 亿年前的宇宙。由于距离太远，很难分辨出它们的特征，而且宇宙膨胀引起的红移将许多元素的强烈紫外线辐射带到了红外线深处。然而，韦伯望远镜是专门为探测早期宇宙中的天体而设计的，它对这种辐射出现的红外线波长非常敏感。因此，新的研究是基于将韦伯望远镜对准九个早期类星体中第一个被发现的类星体J1120+0641。它看起来并没有什么与众不同，或者至少很像宇宙历史上最近时期的类星体。研究人员对类星体产生的连续辐射进行了分析，发现有明显迹象表明，类星体被嵌入了一个炙热的、布满尘埃的物质甜甜圈中，就像在后来的类星体中看到的那样。这种尘埃的温度略高于一些较新的类星体，但这似乎是这些天体在宇宙历史早期阶段的共同特征。来自吸积盘的辐射在发射光谱中也很明显。通过各种方法估算出的黑洞质量值是太阳质量的109倍，这显然是超大质量黑洞的范畴。还有证据表明，从某些辐射的轻微蓝移来看，类星体正在以大约每秒 350 公里的速度向外喷射物质。有几个奇怪的现象。一是物质似乎还在以每秒约 300 公里的速度向内坠落。这可能是由于吸积盘中的物质远离我们而旋转造成的。但如果是这样的话，在吸积盘的另一侧向我们旋转的物质也应该与之相匹配。这种现象在非常早期的类星体中也曾出现过几次，但研究人员承认这种效应的物理起源尚不清楚。他们提出的一种解释是，整个类星体都在移动，由于早先与另一个超大质量黑洞合并，类星体被震出了星系中心的位置。另一个奇怪的现象是，高度电离碳的外流速度也非常快，大约是类星体后期外流速度的两倍。这种情况以前也出现过，但也没有任何解释。尽管有些奇怪，但这个天体看起来很像近代的类星体，观测结果表明，尘埃环和（吸积盘）的复杂结构可以在宇宙大爆炸后不到 760 Myr 的时间内在（超大质量黑洞）周围建立起来。同样，这也是个问题，因为它表明在宇宙历史的早期，就有一个超大质量黑洞与其宿主星系融为一体。黑洞要想达到这里所看到的大小，就必须突破所谓的"爱丁顿极限"在产生的辐射驱赶掉邻近的物质、掐断黑洞的食物供应之前，黑洞所能吸入的物质数量。这说明有两种可能。一种是这些天体在其历史的大部分时间里摄取的物质远远超过了爱丁顿极限这是我们没有观测到的，而且这颗类星体也绝对不是这样。另一种可能是，它们一开始的质量就很大（大约是太阳质量的104倍），并以更合理的速度不断进食。但我们并不清楚这么大的东西是如何形成的。因此，早期宇宙仍然是一个相当令人困惑的地方。DOI:10.1038/s41550-024-02273-0 ... PC版： 手机版：