破解黑洞的磁场之谜

黑洞是宇宙中最致密的天体之一，它的引力强大到甚至连光进入它的事件视界，都无法逃脱。尽管我们已经探测到许多的黑洞，但它仍隐藏着许多未解之谜。其中一个谜题就是，黑洞的磁场究竟从何而来？‍‍‍

在一项于近期发表在《天体物理学快报》上的研究中，科学家通过模拟黑洞的形成过程，发现这些磁场的起源竟然是黑洞的“母体”。

  黑洞的磁性之谜  

黑洞可以在恒星爆发为超新星后形成。这种爆发会留下一个致密的核心残骸，称为原中子星。原中子星是黑洞的“母体”，因为当它继续坍缩时，黑洞便会诞生。

在新的研究中，研究人员的最初目标是模拟一颗恒星从形成到坍缩直至黑洞诞生的全过程，他们希望通过这些模拟来研究黑洞的外向流，比如与伽马射线暴形成密切相关的喷流。然而，在模拟中，研究人员发现一个问题：他们无法准确描述中子星坍缩为黑洞时磁场的行为。这促使他们重新审视黑洞磁场的起源问题。

伽马射线暴是一种短暂却极为明亮的爆发，在几秒钟内释放的能量比太阳一生的总能量还多。黑洞需要具备强大的磁场才能驱动伽马射线暴的产生。（图/NASA's Goddard Space Flight Center）

一些已有的理论认为，在恒星坍缩的过程中，磁力线会被压缩并增强，导致磁场密度变得更高。然而，这些理论面临一个问题：恒星的强磁场会导致恒星失去自旋；但如果没有快速自旋，新生的黑洞就无法形成吸积盘，也无法形成我们所观测到的喷流和伽马射线暴。

吸积盘是指围绕黑洞的气体流、等离子体、尘埃和粒子组成的旋转物质盘。（图／Crafoordprize）

简单来说，强磁场和吸积盘这两个条件似乎是矛盾的：如果磁场过强，就无法形成吸积盘；而如果磁场过弱，就不足以产生喷流。这种矛盾表明，黑洞磁场的形成可能涉及更复杂的机制。

  中子星与吸积盘  

通过进一步的分析，研究人员意识到，过去对中子星坍缩的模拟可能并不完整。以前的研究大多聚焦在孤立的中子星和孤立的黑洞上，认为它们在坍缩过程中会丧失所有磁性。

但在新的研究中，研究人员发现，这些中子星在坍缩前往往具有吸积盘。因此，他们认为也许吸积盘可以保存中子星的磁场，使新形成的黑洞具有与中子星相同的磁力线。

研究团队的计算结果显示，在中子星坍缩的过程中，在所有磁场被新形成的黑洞吞噬之前，中子星的吸积盘会被黑洞继承，其磁力线被固定在黑洞上。

他们的计算表明，在大多数情况下，黑洞吸积盘形成的时间尺度比黑洞失去磁场的时间尺度要短。因此，吸积盘使得黑洞能够从其母体中子星那里继承磁场。

（图/Lucy Reading-Ikkanda, Simons Foundation）

  对宇宙研究的意义  

这一发现揭示了黑洞磁场的起源，同时为理解伽马射线暴等现象的能量来源提供了新的视角。

研究人员表示，这项研究改变了科学家对于喷流形成条件的理解。如果吸积盘意味着磁性，那么从理论上讲，只需要一个早期的吸积盘就能为喷流提供动力。现在，在得知了这一点后，科学家们就可以重新思考恒星群与喷流形成之间的关系。

同时，研究人员强调，这一发现得益于多学科合作，使科学家们能够从不同角度解答这一问题，最终描绘出恒星坍缩后演化的完整图景。