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德國在實(shí)驗室制造出黑洞等離子體

據美國物理學(xué)家組織網(wǎng)11月4日報道,德國馬克斯普朗克核物理研究所和赫爾姆霍茨柏林中心的研究人員使用柏林同步加速器(BESSY Ⅱ)在實(shí)驗室成功產(chǎn)生了黑洞周邊的等離子體。通過(guò)該研究,之前只能在太空由人造衛星執行的天文物理實(shí)驗,也可以在地面進(jìn)行,諸多天文物理學(xué)難題有望得到解決。

黑洞的重力很大,會(huì )吸附一切物質(zhì)。進(jìn)入黑洞后,任何東西都不可能從黑洞的邊界之內逃逸出來(lái)。隨著(zhù)被吸入的物體的溫度不斷升高,會(huì )產(chǎn)生核與電子分離的高溫等離子體。

黑洞吸附物質(zhì)會(huì )產(chǎn)生X射線(xiàn),X射線(xiàn)反過(guò)來(lái)又會(huì )刺激其中的大量化學(xué)元素發(fā)射出具有獨特線(xiàn)條(顏色)的X射線(xiàn)。分析這些線(xiàn)條可以幫助科學(xué)家了解更多有關(guān)黑洞附近等離子體的密度、速度和組成成分等信息。

在這個(gè)過(guò)程中,鐵起了非常關(guān)鍵的作用。盡管鐵在宇宙中的儲量并不如更輕的氫和氦豐富,但是,它能夠更好地吸收和重新發(fā)射出X射線(xiàn),發(fā)射出的光子因此也比其他更輕的原子發(fā)射出的光子具有更高的能量、更短的波長(cháng)(使得其具有不同的顏色)。

鐵發(fā)射出的X射線(xiàn)在穿過(guò)黑洞周?chē)慕橘|(zhì)時(shí)也會(huì )被吸收。在這個(gè)所謂的光離化過(guò)程中,鐵原子通常會(huì )經(jīng)歷幾次電離,其包含的26個(gè)電子中有超過(guò)一半會(huì )被去除,最終產(chǎn)生帶電離子,帶電離子聚集成為等離子體。而現在,研究人員在實(shí)驗室中重現了這個(gè)過(guò)程。

實(shí)驗的核心是馬克斯普朗克核物理研究所設計的電子束離子阱。在這個(gè)離子阱中,鐵原子經(jīng)由一束強烈的電子束加熱,從而被離子化14次。實(shí)驗過(guò)程如下:一團鐵離子(僅僅幾厘米長(cháng)并且像頭發(fā)絲一樣?。┰诖艌?chǎng)和電場(chǎng)的作用下被懸停在一個(gè)超高真空內,同步加速器發(fā)射出的X射線(xiàn)的光子能量被一臺精確性超高的“單色儀”挑選出來(lái),作為一束很薄但卻集中的光束施加到鐵離子上。

實(shí)驗室測量到的光譜線(xiàn)與錢(qián)德拉X射線(xiàn)天文臺和牛頓X射線(xiàn)多鏡望遠鏡所觀(guān)測的結果相匹配。也就是說(shuō),研究人員在地面實(shí)驗室人為制造出了太空中的黑洞等離子體。

這種新奇的方法將帶電離子的離子阱和同步加速器輻射源結合在一起,讓人們可以更好地了解黑洞周?chē)牡入x子體或者活躍的星系核。研究人員希望,將EBIT分光檢查鏡和更清晰的第三代(2009年開(kāi)始在德國漢堡運行的同步輻射源PETRAⅢ)、第四代(X射線(xiàn)自由電子激光XFEL)X射線(xiàn)源結合,將能夠給該研究領(lǐng)域帶來(lái)更多新鮮活力。

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