德國在實(shí)驗(yàn)室制造出黑洞等離子體

據(jù)美國物理學(xué)家組織網(wǎng)11月4日?qǐng)?bào)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(yàn)室成功產(chǎn)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(wèi)星執(zhí)行的天文物理實(shí)驗(yàn)，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(nèi)逃逸出來。隨著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，X射線反過來又會(huì)刺激其中的大量化學(xué)元素發(fā)射出具有獨(dú)特線條（顏色）的X射線。分析這些線條可以幫助科學(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)過程中，鐵起了非常關(guān)鍵的作用。盡管鐵在宇宙中的儲(chǔ)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，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（使得其具有不同的顏色）。

鐵發(fā)射出的X射線在穿過黑洞周圍的介質(zhì)時(shí)也會(huì)被吸收。在這個(gè)所謂的光離化過程中，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(xiàn)在，研究人員在實(shí)驗(yàn)室中重現(xiàn)了這個(gè)過程。

實(shí)驗(yàn)的核心是馬克斯普朗克核物理研究所設(shè)計(jì)的電子束離子阱。在這個(gè)離子阱中，鐵原子經(jīng)由一束強(qiáng)烈的電子束加熱，從而被離子化14次。實(shí)驗(yàn)過程如下：一團(tuán)鐵離子（僅僅幾厘米長并且像頭發(fā)絲一樣薄）在磁場(chǎng)和電場(chǎng)的作用下被懸停在一個(gè)超高真空內(nèi)，同步加速器發(fā)射出的X射線的光子能量被一臺(tái)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(shí)驗(yàn)室測(cè)量到的光譜線與錢德拉X射線天文臺(tái)和牛頓X射線多鏡望遠(yuǎn)鏡所觀測(cè)的結(jié)果相匹配。也就是說，研究人員在地面實(shí)驗(yàn)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(jié)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(yùn)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(jié)合，將能夠給該研究領(lǐng)域帶來更多新鮮活力。