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德國在實驗室制造出黑洞等離子體

據美國物理學家組織網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)在實驗室成功產生了黑洞周邊的等離子體。通過該研究,之前只能在太空由人造衛星執行的天文物理實驗,也可以在地面進行,諸多天文物理學難題有望得到解決。

黑洞的重力很大,會吸附一切物質。進入黑洞后,任何東西都不可能從黑洞的邊界之內逃逸出來。隨著被吸入的物體的溫度不斷升高,會產生核與電子分離的高溫等離子體。

黑洞吸附物質會產生X射線,X射線反過來又會刺激其中的大量化學元素發射出具有獨特線條(顏色)的X射線。分析這些線條可以幫助科學家了解更多有關黑洞附近等離子體的密度、速度和組成成分等信息。

在這個過程中,鐵起了非常關鍵的作用。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射出X射線,發射出的光子因此也比其他更輕的原子發射出的光子具有更高的能量、更短的波長(使得其具有不同的顏色)。

鐵發射出的X射線在穿過黑洞周圍的介質時也會被吸收。在這個所謂的光離化過程中,鐵原子通常會經歷幾次電離,其包含的26個電子中有超過一半會被去除,最終產生帶電離子,帶電離子聚集成為等離子體。而現在,研究人員在實驗室中重現了這個過程。

實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。在這個離子阱中,鐵原子經由一束強烈的電子束加熱,從而被離子化14次。實驗過程如下:一團鐵離子(僅僅幾厘米長并且像頭發絲一樣薄)在磁場和電場的作用下被懸停在一個超高真空內,同步加速器發射出的X射線的光子能量被一臺精確性超高的“單色儀”挑選出來,作為一束很薄但卻集中的光束施加到鐵離子上。

實驗室測量到的光譜線與錢德拉X射線天文臺和牛頓X射線多鏡望遠鏡所觀測的結果相匹配。也就是說,研究人員在地面實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圍的等離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年開始在德國漢堡運行的同步輻射源PETRAⅢ)、第四代(X射線自由電子激光XFEL)X射線源結合,將能夠給該研究領域帶來更多新鮮活力。

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