在Sandia的Z机器上进行的测试与BlackHole模型相矛盾业务领域

2018-05-15

桑迪亚国家实验室的Guillaume Loisel与桑迪亚的Z型机器合作,在那里实践实验与长期以来有关太空黑洞附近的X射线光谱的假设相矛盾。 Loisel是实验结果论文的主要作者,发表在Physical Review Letters上。 (兰迪蒙托亚摄)

/在Sandia国家实验室的Z机器上进行的动手实验违反了关于黑洞X射线光谱的长期但未经证实的假设。 / em

Z是地球上最有活力的实验室X射线源,可以复制围绕黑洞的X射线,否则这些X射线只能从很远的距离观看,然后再进行理论化。

桑迪亚研究员兼主要作者Guillaume Loisel说:“当然,直接从黑洞中发射的信息是不可能被观察到的,”Guillaume Loisel是8月份在Physical Review Letters上发表的一篇有关实验结果的论文的主要作者。 “在黑洞被黑洞消耗之前,我们会看到周围物质的放射。这个周围的物质被强制成一个称为吸积盘的圆盘形状。“

研究结果表明,以前用于解释物质在被黑洞消耗之前的排放的模型,以及黑洞内相关的质量增长速率,都需要修改。黑洞是外部空间的一个区域,由于黑洞的重力场非常强烈,因此没有材料和辐射(即X射线,可见光等)能够逃离。

“我们的研究表明,有必要重新修订过去20年来发表的许多科学论文,”Loisel说。 “我们的结果挑战模型用来推断黑洞吞噬物质的速度有多快。我们乐观地认为,天体物理学家会实施任何需要改变的地方。“

桑迪亚的合着者吉姆贝利表示,大多数研究人员认为,了解黑洞的一种好方法是使用基于卫星的仪器来收集X射线光谱。 “目前的情况是发射X射线的等离子体是异国情调的,用于解释其光谱的模型从未在实验室中一直进行过测试,”他说。

美国宇航局天体物理学家Tim Kallman是合着者之一,他说:“桑迪亚实验令人兴奋,因为它是任何人创造一个环境的最接近的地方,它可以重现黑洞附近发生的事情。”

理论使现实落后

理论与现实之间的分歧开始于20年前,当时物理学家宣称,即使没有谱线表明它们存在,黑洞周围的物质即铁离子(或离子)的某些离子化阶段也存在于黑洞周围。

复杂的理论解释是,在黑洞的巨大的重力和强烈的辐射下,高能量的铁电子不会通过发射光子回落到较低的能量状态,这是量子化解释通量材料发光的原因。相反,电子从它们的原子中解放出来,在相对黑暗的环境中作为孤独的狼滑落。在20世纪初发现它的法国物理学家之后,这个一般过程被称为俄歇衰变。黑洞中缺少光子称为俄歇破坏,或更正式地说,谐振俄歇破坏假设。

然而,Z研究人员通过复制围绕黑洞的X射线能量并将它们应用于适当密度的硅胶角膜,表明如果没有光子出现,那么发生元件根本就不存在。硅是宇宙中丰富的元素,并且比铁更经常地经历俄歇效应。因此,如果共振俄歇破坏发生在铁中,那么它也应该发生在硅中。

“如果共振俄歇破坏是一个因素,它应该发生在我们的实验中,因为我们具有相同的条件,相同的柱密度,相同的温度,”Loisel说。 “我们的结果表明,如果光子不存在,那么离子也不能存在。”

这个看似简单的发现,经过五年的实验后,引发了对基于共振俄歇破坏假设的许多天体物理学论文的质疑。

Z实验模拟了围绕黑洞的吸积盘所发现的条件,密度比地球大气低许多个数量级。

“尽管黑洞是非常紧凑的物体,但它们的吸积盘 - 围绕它们的太空中的大等离子体 - 相对较为分散,”洛伊塞尔说。 “在Z上,我们扩大了硅片50,000次。它的密度非常低,比固体硅低5个数量级。“

这是一个艺术家对黑洞命名为天鹅座X-1的描述,当它旁边的大蓝星坍缩成更小,极其密集的物体时形成。 (图片由NASA提供)

光谱的故事

黑洞的大小和性质的准确理论很难得出的原因是缺乏第一手的观察。一个世纪以前,阿尔伯特爱因斯坦的广义相对论理论中提到了黑洞,但最初被认为是纯粹的数学概念。后来,天文学家观测到恒星在引力系绳上的运动发生了变化,因为它们在黑洞或最近的重力波信号中旋转,这些信号也是爱因斯坦从这些黑洞的碰撞中预测出来的。但大多数这些非凡的实体相对较小 - 约为地球到太阳的距离的1/10,距离数千光年远。它们在相距很远的地方尺寸相对较小,因此无法用美国宇航局价值数十亿美元的望远镜对其进行成像。

可观察到的是黑洞吸积盘中元素释放的光谱,然后将物质送入黑洞。 “光谱中有很多信息。他们可以有很多形状,“NASA的Kallman说。 “白炽灯泡光谱很无聊,它们在光谱的黄色部分有峰。黑洞更有趣,在光谱的不同部分有颠簸和扭动。如果你能解释这些颠簸和摆动,你就知道吸积盘中有多少气体,多么热,多少电离和多大程度以及存在多少不同元素。“

“Loisel说:”如果我们能够到黑洞并拿起吸积盘的一勺并在实验室中分析它,这将是了解吸积盘的最有用的方法。但由于我们无法做到这一点,我们试图为天体物理模型提供测试数据。“

Loisel准备说R.I.P.对于共振俄歇破坏假设,他仍然意识到在这种缺铁的情况下,更高的黑洞质量消耗的影响只是几种可能性之一。

“另一个含义可能是来自高电荷的铁离子的谱线存在,但到目前为止,谱线已被错误识别。这是因为黑洞极大地改变了谱线,这是因为光子很难逃离强烈的引力场,“他说。

现在有些模型正在其他地方构建,用于不使用共振俄歇破坏近似的吸积物体。 “这些模型必然是复杂的,因此用实验室实验测试他们的假设更为重要,”Loisel说。

这项工作得到了美国能源部和国家核安全局的支持。

出版物:G. P. Loisel等人,“基于吸积式X射线源的光电离等离子体发射的基准实验”,Phys。 Rev. Lett。 119,075001 - 2017年8月; DOI:10.1103 / PhysRevLett.119.075001

来源:桑迪亚国家实验室