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楼主: henryharry2

[建议] 引力论和宇宙论

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 楼主| 发表于 2012-12-25 09:27:44 | 显示全部楼层

反对暴胀

支持暴胀的第一条论据是,暴胀不可避免。但如果真是这样,那就会得出一个尴尬的推论:坏暴胀要比好暴胀更有可能发生。坏暴胀同样会导致宇宙加速膨胀一段时期,但得到的结果与我们今天观测到的现实并不符合。比方说,温度差异可能会大过了头。暴胀的好坏之分,取决于势能曲线的确切形状,而这个形状又受一个原则上可以取任意数值的参数控制。这个参数只有在一个非常狭窄的范围内取值,暴胀才能产生观测到的温度差异。在一个典型的暴胀模型中,这个参数必须在小数点前后得有15个零。如果稍稍放宽一些要求,比如小数点前后只留下12个、10个或者8个零,就会导致坏暴胀:会发生同等程度(甚至更剧烈)的加速膨胀,但温度差异会大于实际观测的数据。

如果坏暴胀无法与生命共存,我们就可以不去管它。在这种情况下,就算原则上能够产生这么大的温度差异,我们也永远不可能观察到,因为那样的宇宙里不会有我们(或者任何生命)存在。这种推理思路被称为人择原理(anthropic principle),但是在这里并不适用。更大的温度差异会产生更多的恒星和星系——如果有区别的话,这样的宇宙也该比现在的宇宙更适合生命才对。
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 楼主| 发表于 2012-12-25 09:48:16 | 显示全部楼层

反对暴胀

不仅坏暴胀要比好暴胀更有可能发生,出现另一种情况的可能性甚至比好坏暴胀加起来都高,那就是不发生暴胀。英国牛津大学的物理学家彭罗斯(Roger Penrose)在20世纪80年代率先提出了这一观点。他把描述气体中原子和分子状态的热力学原理稍加变换,用它来统计暴胀场和引力场可能出现的初始状态。有些初始状态会导致暴胀,继而平滑宇宙,把宇宙变得均匀和平坦。另外一些初始状态则会直接产生一个均匀、平坦的宇宙不需要经历暴胀。这两组初始状态都很罕见,因此整体上来说,得到一个平坦宇宙是不太可能的。尽管如此,彭罗斯的结论仍然令人震惊:不发生暴胀便直接得到一个平坦宇宙的可能性要远高于发生暴胀,两者相差的倍数达到了10的古戈尔次方!(古戈尔,即googol, 是10的100次方)。
另一种方法也得出了类似的结论,具体方法是根据目前的状态,依照已经确定的物理定律,向前倒推宇宙的历史。考虑到今天宇宙整体上平坦和均匀的现状,此前有可能已经发生过的系列事件可以有许多种,换句话说,倒推得到的“历史”并非唯一。2008年,英国剑桥大学的Gary W. Gibbons和加拿大安大略圆周物理研究所的Neil G. Turok证明,在绝大多数倒推得到的“历史”中,暴胀都无足轻重。这个结论与彭罗斯的观点一致。
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 楼主| 发表于 2012-12-25 10:00:19 | 显示全部楼层

反对暴胀

本帖最后由 henryharry2 于 2012-12-25 10:02 编辑

两者似乎都违背了直觉,因为平坦和均匀的宇宙不太可能出现,而暴胀正是平滑宇宙所需要的一种强有力的机制。但暴胀的这一优势似乎被一个事实完全抵消了,即触发暴胀的初始条件出现的可能性几乎为零。如果把所有因素全都考虑进来,与经历暴胀之后再变得平坦和均匀相比,宇宙现在这种状态不经历暴胀便直接出现的可能性反而更高。
导致观念发生改变的第一件事,就是人们认识到暴胀是永恒的:一旦开始,就永远不会停止。暴胀的这种让自身永远持续下去的本性,是量子物理结合加速膨胀而得出的直接结果。前文中提到,量子涨落会略微延迟暴胀结束的时间。在那些涨落很小的地方,它们的影响也会很小。但量子涨落是随机的,完全不受任何控制。在空间中,一定会有某些区域出现较大的涨落,导致暴胀的结束时间大幅度延迟。

这种严重拖后腿的区域极为罕见,所以你或许会认为,我们大可以当它们不存在。可惜我们不能,因为这些区域在暴胀。它们还会继续膨胀,短短一瞬间,体积就能超过表现良好、按时结束暴胀的那些区域。结果就是,一大片仍在暴胀的空间“海洋”包围着一座座充斥着炽热物质和辐射的小小“岛屿”。

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 楼主| 发表于 2012-12-25 10:19:07 | 显示全部楼层

暴胀永恒

不仅如此,拖后腿的区域里还会滋生出新的拖后腿区域,生成新的物质“岛屿”,每一座都是一个独立完备的宇宙。这个过程会永无止境地持续下去,创造出无穷多个“岛屿”,被无限暴胀的空间所包裹。对于这样一个场景,如果你还不觉得困惑的话,不用担心,还没到时候。真正让人困惑的消息还在后面。
这些“岛屿”并非全都一模一样。量子物理与生俱来的随机本性,必然导致一些“岛屿”物质分布极不均匀,或者形状严重扭曲。它们的不均匀性听起来就像是前文提到的坏暴胀问题,只不过成因不同。坏暴胀之所以发生,是因为控制势能曲线形状的参数很可能会太大。而这里的不均匀性则是永恒暴胀和随机量子涨落的结果,与那个参数取什么数值无关。
为了在数量上表述得更加准确,前面那段话里的“一些”,应该替换成“无穷多个”才对。在一个永恒暴胀的宇宙里,会有无穷多个“岛屿”性质跟我们观测到的宇宙相似,但也会有无穷多个“岛屿”跟我们不同。古思的下面这段话,为暴胀的真正结果作了最好的总结:“在一个永恒暴胀的宇宙,任何可能发生的事情都会发生;实际上,它会发生无穷多次”。
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 楼主| 发表于 2012-12-25 10:30:40 | 显示全部楼层

屡战屡败

那么,我们的宇宙如此均匀和平坦,到底是特例还是定律呢?在一个拥有无限多“岛屿”的宇宙里,这很难说。用哪种方法数硬币才对?答案是全错。对于无穷多枚硬币,存在无穷多种分法,能够产生无穷多种可能性。因此,根本就没有一种合理的方法来判断更有可能抓到哪一种硬币。同理,在一个永恒暴胀的宇宙里,根本就没有办法去评判哪种“岛屿”更有可能出现。
现在,你应该感到困惑了。如果暴胀意味着任何有可能发生的事情都会发生无穷多次,那么说暴胀做出了某些预言,比如宇宙是均匀的,宇宙中存在尺度不变的差异,这又该如何理解?反过来,如果暴胀理论无法做出能够检验的预言,宇宙学家又怎么能经常跳出来声称暴胀理论与观测相符呢?

理论学家不是不清楚这个问题,但他们相信自己能够搞定它。许多人现在仍抱有希望,尽管他们跟这个问题已经苦苦缠头了25年,却连哪怕一种看似合理的解决办法都提不出来。有人建议,应该尝试构建一些无法永恒的暴胀理论,把无穷多个宇宙扼杀在萌芽之中。但永恒这个性质是暴胀加上量子物理得出的自然结果。
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 楼主| 发表于 2012-12-25 10:48:24 | 显示全部楼层

屡战屡败

为了避免永恒暴胀,宇宙就必须始于一种非常特殊的初始状态,还必须拥有一种特殊形式的暴胀能量,这样才能让暴胀在宇宙各处全部结束,,不给量子涨落留下任何重新触发暴胀的机会。但在这样的情况下,暴胀后观测到的宇宙就会对初始状态非常敏感。这就违背了暴胀理论的整个初衷——不管暴胀前宇宙是个什么状态,暴胀后都得是现在这个样子。
另一种策略则假设,类似于我们这个可观测宇宙的“岛屿”是暴胀最有可能得到的结果。这种方法的支持者引入了一个所谓的衡量标准,也就是一套权衡哪些“岛屿”最有可能出现的特殊规则——就好像强制规定,我们从麻袋里掏硬币时,每拿出5个一块的硬币,就必须再拿出3个五角的硬币。额外设置专门的衡量标准,这个想法恰恰等于公开承认,暴胀理论本身什么都解释不了,也什么都预言不了。

更糟的是,理论学家已经提出了许多挺有道理的衡量标准,得出的结果却恰恰相反。体积衡量标准就是一个例子,这种观点认为“岛屿”应该按各自的体积加以权衡。乍一看,这种选择合乎常理,因为暴胀背后隐含着这样一个直觉:为了解释我们观测到的宇宙现状,暴胀必须创造一大片均匀、平坦的空间出来。可惜的是,体积衡量标准失败了。
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 楼主| 发表于 2012-12-25 10:57:38 | 显示全部楼层

屡战屡败

原因在于,这一标准更倾向于拖后腿的区域。考虑以下两类区域:一类是跟我们类似的“岛屿”,另一类是经历了更久暴胀之后形成较晚的区域。由于暴胀时空间呈指数增长,后一种区域占据的总体积要庞大得多。因此,比我们的宇宙更年轻的区域应该常见得多。按照这种衡量标准,我们甚至不太可能存在。
热衷于寻找衡量标准的理论学家采用了反复尝试的做法,他们不断发明新的衡量标准并加以检验,希望有朝一日能够得出符合预期的答案,即我们的宇宙出现的可能性很大。假设有一天他们成功了,那么接下来,他们就必须再找一个原理来合理解释为什么要用这个标准而不用其他标准,再然后,他们又得用另一个原理来解释为什么前一个原理是对的,如此追溯下去,永无止境。

还有一种策略就是向人择原理求助。可惜,这种策略也行不通,因为我们宇宙中的环境远远超出了维持生命所必需的最低要求,生命并不要求宇宙必须如此平坦、如此均匀、如此尺度不变。更为典型的“岛屿”,比如那些比我们的宇宙更年轻的区域,几乎一样适合生命生存,数量却要多得多。
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 楼主| 发表于 2012-12-25 11:19:16 | 显示全部楼层

中等质量黑洞

10多年前天文学家仅发现了一个中等质量黑洞,此后我们陆续找到了数百个这样的黑洞。通过数十年的研究,天文学家发现,“活跃黑洞”通常在特定类型的大型星系中出现。实际上,有些碟状星系的中心包含了一个小的椭圆星系,被称为核球(bulge)。“活跃黑洞”最常出现在大型椭圆星系和有正常核球的碟状星系中。在目前找到的核球中,几乎都包含有百万至十亿个太阳质量的黑洞。不仅如此,核球越大,包含的黑洞也越大,黑洞质量通常占核球质量的千分之一,这个出乎意料的关联本身就耐人寻味,它似乎表明星系与超大质量黑洞是以某种天体物理学家还不明了的方式在共同演化。
NGC 4395是一个完全没有核球的碟状星系,但是它却有一个“活跃黑洞”。要准确估计NGC 4395所含黑洞的质量是一个挑战。较为直接的测量是在2005年,彼得森与合作者论证,NGC 4395中的黑洞大约有36万个太阳质量,不过即便如此,测得的质量仍然很不明确,数值计算时采用不同假设可使最终结果上下浮动3倍之多。
POX 52距离我们3亿光年(比NGC 4395远20倍),因此天文学家只能间接估计其质量,不过仍有各种证据表明,POX 52中寓居着一个约10万个太阳质量的黑洞。有它作伴,NGC 4395中的中等质量黑洞就不再形单影只了。
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 楼主| 发表于 2012-12-25 11:26:11 | 显示全部楼层

哈勃超深场

temp.jpg
这是哈勃望远镜在2009年时完成的哈勃超深场图像
在这张图像中我们可以辨认出一些拥有旋臂,和我们银河系和近邻的仙女座大星系非常相似的旋涡星系,还有一些大型的,显出暗淡红色的星系,其中正有大量的新生恒星不断诞生。这些红色的星系是剧烈的星系间撞击作用的产物。
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 楼主| 发表于 2012-12-25 11:36:09 | 显示全部楼层

哈勃极超深场

美国宇航局近日公布了哈勃太空望远镜拍摄的迄今最遥远星空场景,包含的星系最远达132亿光年(光年指光在真空中传播一年的距离),这意味着这些星系发出的光芒在宇宙中穿行了132亿年之后才抵达哈勃望远镜。
哈勃望远镜的这张照片名为“极超深场”(XDF),是有史以来人类拍摄的最遥远星空,覆盖的天空区域仅仅相当于一个满月张角的很小一部分,但仍然包含了多达5500个星系天体目标,其中最暗弱星系的亮度仅有人类肉眼可见最暗弱天体亮度的亿分之一。
哈勃超深场图像利用美国宇航局哈勃望远镜10年来的数据综合而成,在此前获取的哈勃超深场天区照片基础上获取的进一步深空影像。照片拍摄对准的天区位于天炉座,使用了哈勃空间望远镜在2003和2004年获取的数据。通过数小时的长时间曝光,哈勃可以看到数以千计的遥远星系,而此次制成的哈勃极超深场图像则更加令人震撼。
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 楼主| 发表于 2012-12-25 11:41:52 | 显示全部楼层

哈勃极超深场

哈勃望远镜在过去10年间不断重复地对南部天空的一处区域进行曝光观察,前后总耗时大约50天,总曝光时间约合200万秒。哈勃空间望远镜上搭载的两台相机:先进巡天相机(ACS)以及将哈勃的视野延伸至近红外波段的广角相机3号一起,一共拍摄了超过2000张图像。

加州大学圣克鲁兹分校的伽斯·伊利沃斯(Garth Illingworth)是2009年哈勃超深场项目的首席科学家,他说:“哈勃极超深场是我们有史以来获取的最深邃影像,揭示了迄今最遥远最暗弱的星系天体。哈勃极超深场图像让我们得以比以往回溯至更久远的过去进行探查。”

大爆炸理论认为宇宙的年龄约为137亿年,而此次哈勃极超深场拍摄的很多星系存在于132亿年前。来自那一时期的光直到现在才抵达我们的眼中,而哈勃极超深场正是这样一台时光机器。在极超深场的图像中,认证出其中最年轻的星系诞生于大爆炸理论认为的宇宙仅有4.5亿年历史的时期。哈勃望远镜首次让天文学家得以目睹星系在宇宙中形成和演化的实际景象。这提供了强有力的直接证据,证明宇宙确实是处于不断演化中的。等到美国宇航局即将发射的詹姆斯·韦伯空间望远镜升空之后,它将可以看到更遥远的星系。
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 楼主| 发表于 2012-12-25 11:57:33 | 显示全部楼层

宇宙演化的有那么快吗?

透过哈勃望远镜的图像,可以发现,可能在132亿年前就有旋涡星系诞生了。按照大爆炸宇宙论,必须经历一系列的提速过程,才可能诞生旋涡星系。而按照我们的永恒宇宙论,宇宙中的星系远可以在非常悠闲的环境下慢慢地成长。例如,可以从不规则星系通过星系合并或者吃进其它的小星系慢慢地成长为螺旋星系,事实上银河系正是在吞进了很多其它小星系后才慢慢地长成今天的模样的。

如果詹姆斯•韦伯空间望远镜发现了更遥远的巨椭圆星系该怎么解释,大爆炸理论则必须再次提速,而我们知道,银河系和仙女座大星系正在慢慢地靠拢并最终合并,其结果可能成长为一个巨椭圆星系,但这一过程可能至少经历数百亿年。

从某种意义上说,大爆炸理论还不如托勒密的地心说呢。托勒密的地心说虽然需要很多本轮,但至少宇宙还是永恒的;大爆炸理论则需要更多的本轮,最糟糕的是,大爆炸理论等于极力主张“伟大的”物理学家们宣扬宇宙末日论。前几天,中央电视台报导有几人由于宣扬世界末日论而被逮捕;讽刺的是,无数的物理学家却在各类媒体上大肆宣扬宇宙末日论,试问:假如宇宙灭亡了,人类还能够存在吗?
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 楼主| 发表于 2012-12-26 09:24:20 | 显示全部楼层

黑洞间歇泉

如果给宇宙绘制一幅大地图,看起来就会像美国的州际公路网一样。星系排成的长链纵横交错,如同高速公路一般穿越星系际空间。道路之间的区域则是宇宙乡间,几乎空无一物。星系长链的交汇之处是宇宙中的繁华都市——星系团。星系团大得惊人,就算用光来丈量它们的大小,也要耗费不少时间。但即使与普通的星系团相比,银河系也变得不值一提——光要花上下1000万年,才能横穿整个星系团。事实上,星系团是宇宙中受到引力束缚的最大天体。宇宙中的“高速公路”是比星系团更大的结构。

这里的引力束缚,是指成熟星系团中的星系和其他物质处于一种整体动态平衡之中。星系在星系团内四处游荡,但并不会四下飞散,因为暗物质的引力牢牢抓住了它们。人们还不曾直接探测到这种神秘的物质,只有从引力作用中发现它的蛛丝马迹。星系团中各种成分的相互作用导致了许多天文现象,天文学家才刚刚领略到其中的奥妙。
与地球上的繁华都市一样,星系团也不仅仅是其中居民的简单集合。发生在星系团尺度上的物理过程,可以影响“微观尺度”上的事件,例如星系的成长和星系中心超大质量黑洞的燃料加注。反过来,黑洞高速喷出的大量物质也能推动整个星系团的演化。乍看起来,这种大小尺度之间的相互作用简直不可思议。从体形上看,那些黑洞比太阳系还小,说它们能够影响整个星系团,就好像说一颗樱桃会影响整个地球一样。
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 楼主| 发表于 2012-12-26 09:34:10 | 显示全部楼层

气体失踪案

星系团中的气体辐射出大量X射线,本该冷却下来,聚集到星系团中心,形成万亿颗恒星。然而,天文学家却找不到冷却气体和恒星的任何踪影。这些相互作用解开了长久以来一直萦绕在星系团周围的若干难题之谜,所谓的冷流问题便是其中之一。

在星系团中,温度高达数百万度的气体充斥在星系之间。如果把团中的星系看成繁华都市的中心商业地段,这些气体就是周边向外扩张的居民聚居区。城镇人口大都生活在居民区中,星系团也是如此:气体的质量超过了星系中所有恒星的质量总和。最初,随着星系团在引力作用下缓慢坍缩,其中的气体也被压缩加热,温度高得足以发出X射线。

天文学家注意到X射线会带走大量能量,因此气体应当逐渐冷却,并聚集在星系团中心——这个过程就是“冷流”。冷流应该会产生相当明显的效应——如果冷流持续10亿年,堆积在星系团中心区域的气体将生成数万亿颗新的恒星。唯一的麻烦在于,天文学家根本找不到这些恒星。他们展开了多次搜索,试图在星系团中心找出大量冷却气体的新生恒星的踪迹,都以失败告终。难道这些气体都被黑洞吞噬了?果真如此的话,这个黑洞的质量应该与万亿颗恒星相当,然而迄今发现的最大黑洞也远没有这么大的质量。
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 楼主| 发表于 2012-12-26 09:48:32 | 显示全部楼层

巨型空泡

也许星系团中央星系持久的能量喷发可以解释冷流的消失:这些能量会加热气体,足以抵消辐射冷却过程。多年来,射电天文学家一直在搜集有关能量喷发活动的证据。不过要想完全阻止冷流,喷发就必须提供足够的能量,能量还必须分散到相当广袤的宇宙空间之中。中央星系是否拥有这种能力,仍然值得怀疑。
天文学家在X射线波段观测到的最明亮星系团,当数英仙星系团(Perseus cluster),因为它本身光度较高,距离地球也较近。20世纪90年代,ROSAT卫星在这个星系团中心大约5万光年范围内,发现了两个巨大的气体空腔(cavity)。它们形如一个沙漏,中心则是巨型星系NGC 1275。观测数据表明,空腔与先前发现的、从巨型星系中央射出的一对射电喷流方向一致。X射线空腔并非空无一物,其中充斥着磁场和高能粒子,比如质子和电子。
这些高能量、低密度的空泡(bubble)正从星系团中央升腾而起,推开了周围发射着X射线的炽热气体。其他星系团也拥有空泡。钱德拉X射线天文台分别在长蛇座、武仙座A和阿贝尔2597星系团中找到了X射线空泡,它们都会发出射电辐射。天文学家还发现了另外一些空泡,在射电波段和X射线波段都显得暗淡无光,表明其中高能粒子的大部分能量已经耗尽。这些“幽灵空泡”已经脱离了中央星系,可能是过去的空泡留下的遗迹。
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 楼主| 发表于 2012-12-26 10:17:28 | 显示全部楼层

超重低音

据说,Mencken曾得出这样的结论:“任何一道复杂的问题,总会有一个简单明了但却错误的答案”。很不幸,强劲激波加热星系团气体的说法,似乎印证了这句名言。天文学家没有找到这种加热过程产生的高温薄气壳。此外,强劲激波的加热过程也许集中在星系团的中央区域,无法阻止大范围内的气体冷却。声波加热则是一种更为合理的能量转换机制。

以人类的标准来看,星系团中的星系际气体极其稀薄(每立方米仅有几千个氢原子,只有地表空气密度的万亿亿分之一),但是声波仍然可以在其中传播。它们会演变成微弱的低速超声波,缓缓加热气体。(实际上,我们认为,声波传热需要气体分子碰撞,但这样低的气体密度肯定不会导致气体分子碰撞,实际上传递的应该是量子化引力中的零声。)

费边领导的研究小组为这一想法提供了确凿的观测证据:他们对英仙星系团的照片进行了特殊处理,找到了一系列同心的波纹结构。他们发现,最内侧的那条波纹是弱激波,气体的密度和压强在那里发生了跳变,温度并没有跳变;外侧的其他波纹则是声波,气体密度和压强都是逐渐变化的。波纹之间的间隔约为3.5万光年,根据气体中的声速(计算结果为每秒1170千米)可以推断,产生这些声波的事件每隔1000万年发生一次。
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 楼主| 发表于 2012-12-26 10:31:21 | 显示全部楼层

超重低音

把这些声波的音调转换为音符的话,应该是一个比中音C低57个八度的降B调。尽管听起来缺乏乐感,这些声波的威力却十分惊人。(尽管离开了星系团中心引力会大大减弱,但暗物质粒子却可以帮助传递零声,暗物质粒子很轻,量子化效应很强)。距离我们最近的星系团是5000万光年外的室女座星系团,那里也出现了类似的结构。美国的William Forman和同事借助钱德拉X射线天文台,观测了这个星系团中央占据统治地位的大星系M87。

他们发现了许多丝状结构,每条宽约1000光年,长5万光年。与英仙星系团中的波纹结构一样,这些丝状结构可能也是声波的产物。(我们认为,这些丝状结构证明了声波传热应该是一种轴矢量量子化的效应,因为暗物质粒子喜欢聚集成弦一样的形状,这种构形能量最低)。一次次能量爆发吹起了一个个空泡,进而产生了这些声波——不过在这个星系团中,每次能量爆发的时间间隔约为600万年。

因此,它们的音调听起来要比英仙星系团的声波音调高出大约1个八度。福曼的研究小组还发现了一个半径约为4万光年的、更加炽热的辐射环,可能是一个弱激波的波阵面。他们还在距离星系中心约7万光年的地方,找到了一个巨大的X射线空腔。
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 楼主| 发表于 2012-12-26 10:43:02 | 显示全部楼层

电磁龙卷风

现在的问题是,声波中的能量如何加热气体。对英仙星系团的观测表明,内侧波纹的温度在激波波阵面经过时并未升高,这可能是解答问题的关键。激波会加热气体,但热传导可以迅速将气体粒子的能量带走;从空泡或激波后方加速逃逸出来的高能电子也会加热气体,热传导同样可以带走这些电子的能量。这些过程都可以有效降低激波波阵面的温度。

然而,天文学家最大的困惑不是气体的加热机制,而是这些空泡的起源。在已知的天体中,能够产生这么大能量的只有一种——超大质量黑洞。它们盘距在星系的中心,质量介于几百万到几亿太阳质量之间。大多数人习惯将黑洞想象成终极无底洞,认为它们会吞噬所有的物体,事实却并非如此:黑洞也能加速物质,将它们高速抛射出去。黑洞如何抛射物质物质,已经成了近几年的研究热点。
计算机数值模拟表明,黑洞就像一台巨型发电机。落向黑洞的气体会加速旋转,将一部分气体弹射出去。旋转黑洞会扭曲周围的时空结构,迫使下落气体的磁场变成漏斗形状——犹如一场电磁龙卷风,裹挟着电磁场和带电粒子向外卷去,形成一对方向相反的喷流。如果黑洞旋转缓慢,那它产生的喷流也会软弱无力,导致大部分气体落入黑洞,永远消失。相反,快速自转的黑洞能将大约1/4的下落气体弹射出去。
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 楼主| 发表于 2012-12-26 10:50:42 | 显示全部楼层

电磁龙卷风

科学家预言,星系中心的超大质量黑洞在吸积气体的过程中,自转会越来越快。一旦黑洞吞噬足够的气体,使自身质量增大一倍,黑洞视界的旋转速度就会接近光速。根据爱因斯坦的相对论,不论黑洞吞噬多少气体,它的转速都不可能达到光速;黑洞仍然可以吞噬更多气体,但对黑洞转速的提升效果只会越来越弱。
天文学家用多种观测方法估测了黑洞的自转,证明许多黑洞都在高速旋转,足以产生强劲的喷流。更小的尺度上也存在类似的现象。恒星级黑洞仅有十几倍太阳质量,似乎无法与动辄数十亿倍太阳质量的超大质量黑洞相提并论,但它们也能射出接近光速的强劲粒子喷流,加热并驱散周围的气体。

理论计算表明,黑洞的喷流主要由两部分组成:一部分是以大约1/3光速移动的物质外流,构成了漏斗形状的外鞘;另一部分则是漏斗中轴附近的内侧区域,主要是超高能粒子组成的稀薄气体。内侧区域携带了大部分能量,产生了天文学家在射电和X射线波段观测到的巨大波纹结构。
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 楼主| 发表于 2012-12-26 15:29:31 | 显示全部楼层

电磁龙卷风

喷流的形状像铅笔一样细长,它们可以笔直地穿越数十万光年,远远超出母星系的势力范围——这是喷流最令人惊奇的特征之一。在长途跋涉中,喷流几乎不辐射任何能量。黑洞附近气体的压力让喷流只能沿着狭窄的束流射出,气体本身的惯性则维持了喷流的细长形状——就像高压水枪射出的水柱或茶壶壶嘴冒出的蒸汽一样。紧紧缠绕在一起的磁场也随着喷流一起射出,可能也对细长形状的形成起到一定的作用。

不论是什么机制维持了喷流细长的形状,推动气体的压力都会随着行程的增加而逐渐减小。喷流速度减慢并向外膨胀,形成巨大的带电粒子磁化云。这些云持续膨胀,将周围的气体向外推挤,形成了钱德拉X射线天文台观察到的黝黑的X射线空腔。
事件的经过已经明朗:气体落向快速旋转的黑洞,形成巨大的喷流向外射出;喷流携带着高能粒子,雕凿出巨型空泡,加热辽阔的宇宙空间——就像黑洞在星系团中打了一个饱嗝。黑洞既能影响整个星系团尺度上的事件,也会受到星系团尺度事件的影响。
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