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银河系中心黑洞可能在“倒贴”:粒子飞走了,能量由它出

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一个粒子靠近黑洞,最后却带着更多能量飞走,多出来的那份由黑洞自己的自转来付。9月发布的一项理论研究,把这笔能量交换算到了银河系中心:人马座A*可能正在给高能宇宙射线供能。这仍是模型提出的解释,关键是能否找到它留下的信号。



原报道采用的艺术示意图:黑洞周围环绕热气体,蓝线描绘磁场。画面不代表已经观测到人马座A*以这种方式取能。图:M. Weiss / Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics。

人马座A*的质量约为太阳的400万倍。研究者关心的,是它能否把一些质子推到PeV量级——单个粒子的能量达到千万亿电子伏量级。

这里的“宇宙射线”主要指高速粒子,包括质子和原子核。银河系里究竟有哪些天然加速器,能把粒子推到这样的能量,一直是高能天文学要追查的问题。

粒子赚走的,是黑洞的自转能

黑洞周围的气体下落、加热,本来就能释放巨大能量。这次模型想动用的,是黑洞自身的旋转。

1969年,彭罗斯提出过一种取能思路:旋转黑洞会拖拽附近的时空,在事件视界外形成一片叫“能层”的区域。在特定条件下,粒子在这里分裂,一个产物按特殊路径落入黑洞,另一个产物便能带着额外能量逃走,代价从黑洞的自转里扣除。

关键在位置。能层处于事件视界之外,粒子仍有逃走的可能;已经越过视界的东西,依然回不来。

新研究加入了磁场。团队计算了黑洞周围高温气体通过核反应产生的中子,追踪其中哪些能进入能层。中子在这里衰变,产生质子、电子和反中微子;在模型设定的电磁场中,可以出现电子被黑洞捕获、质子获得高能并逃出的结果。这叫磁彭罗斯过程。



原报道中的模型图:黑点n是中子,红色p⁺是逃出的质子,青色e⁻是落入黑洞的电子;橙线为事件视界,外侧紫色区域为能层。它展示理论路径,不是粒子运动实拍。图:Cermeño等。

粒子会拐弯,线索得换一种找法

即使质子真的从那里飞了出来,也很难把它的来路直接倒着画回去。它带电,穿行银河系时会受磁场影响,方向不断改变,抵达探测器时未必还指向起点。

周围的气体却可能替它留下线索。高能质子撞上银河系中心分子云里的气体,可以产生伽马射线和中微子。伽马射线不带电,不会像质子那样被磁场拐弯,更有利于追查发生碰撞的区域。

H.E.S.S.等观测设备早已在银河系中心发现甚高能伽马射线,并由此推断那里存在强大的粒子加速活动。难点是把“这里有高能粒子”进一步追到“这些能量究竟怎么来的”。单有伽马射线,还不能认定黑洞正在通过磁彭罗斯过程付账。

我们也已获得黑洞附近磁场的观测线索。2024年公布的人马座A*偏振图,让研究者能从光的偏振信息中研究那里的磁场结构。



2024年公布的人马座A*偏振图。叠加线条表示偏振方向,与磁场结构有关;这幅观测图本身没有证明磁彭罗斯过程。图:EHT Collaboration,经ESO发布,CC BY 4.0。

新论文继续算的是:按这套机制加速的质子,可能留下怎样的伽马射线能谱,也就是不同能量的光子各有多少。模型预测的信号低于目前观测到的总量,有可能贡献其中一部分;以后若测到相应的谱形特征,就能进一步检验这笔能量交换。

研究者将预测与SWGO等观测设施的预期灵敏度作了比较,认为存在检验机会。不过结果依赖黑洞的自转、磁场强度、粒子衰变位置,以及粒子怎样穿过周围环境。换一组条件,最终能量和信号强度都可能改变。

这笔能量能否从黑洞的自转里拿出来,理论模型已经列出了一种可能。它是否正在银河系中心发生,接下来要靠观测去查这笔账。

黑洞也可能被取走自转能,这和你原来想象的黑洞一样吗?

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