模擬顯示黑洞繼承了母恒星的磁場 _黑洞

快速旋轉的黑洞吸積盤和由此產生的黑洞動力射流的3D渲染。來源：Ore-Gottlieb等人（2024）
據西蒙斯基金會：黑洞是最神秘的恒星物體之一。雖然它們最出名的是將周圍的環境吞噬到一個沒有任何東西可以逃脫的重力坑中，但它們也可以發射出強大的帶電粒子射流，導致伽馬射線的爆炸性爆發，這些爆發可以在短短幾秒鐘內釋放出比我們的太陽在其整個生命周期內釋放的能量更多的能量。
為了發生如此壯觀的事件，黑洞需要攜帶強大的磁場。然而，這種磁性從何而來一直是個謎。
利用黑洞形成的計算，Flatiron研究所的科學家和他們的合作者終于找到了這些磁場的起源：黑洞本身的坍縮母恒星。研究人員于11月18日在《天體物理學雜志快報》上報告了他們的研究結果。
黑洞可以在恒星爆炸成超新星后形成，留下一個被稱為原中子星的致密殘余核心。
該研究的第一作者、紐約市Flatiron研究所計算天體物理中心（CCA）的研究員Ore Gottlieb說：“原中子星是黑洞的母親，因為當它們坍縮時，黑洞就會誕生。我們看到的是，隨著這個黑洞的形成，原中子星周圍的圓盤基本上會將其磁力線固定在黑洞上。” 。
“最終了解黑洞的這一基本特性以及它們如何驅動伽馬射線爆發——宇宙中最明亮的爆炸——是非常令人興奮的。”
Gottlieb與CCA研究員Brian Metzger、Jared Goldberg、Matteo Cantiello和Mathieu Renzo共同撰寫了這項研究。
磁性之謎
該團隊最初的目標是模擬恒星從出生到坍縮再到黑洞形成的過程。通過他們的模擬，該團隊計劃研究黑洞的外流，比如產生伽馬射線爆發的噴流。然而， Gottlieb的團隊在模型方面遇到了問題。
Gottlieb說：“我們不確定如何模擬中子星坍縮到黑洞期間這些磁場的行為。” 。“所以，這是我第一次開始思考的問題。”
關于黑洞及其磁性有一些理論，但在考慮黑洞噴流和伽馬射線爆發的功率時，似乎沒有一個理論是成立的。
戈特利布說：“人們認為，坍縮恒星的磁場正在坍縮成黑洞。” 。“在這種坍塌過程中，這些磁場線在壓縮時會變得更強，因此磁場的密度會變得更高。”
這種解釋的問題在于，恒星中的強磁性會導致恒星失去自轉。如果沒有快速旋轉，新生黑洞就無法形成吸積盤——黑洞周圍的氣體、等離子體、塵埃和粒子流——也無法產生我們觀察到的噴流和伽馬射線爆發。
戈特利布說：“這似乎是相互排斥的。” 。“形成噴流需要兩樣東西：一個強磁場和一個吸積盤。但是，通過這種壓縮獲得的磁場不會形成吸積盤，如果你將磁性降低到可以形成吸積盤的程度，那么它就不足以產生噴流。”
這意味著發生了其他事情，科學家們的目標是通過直接找到源頭來找出它是什么：黑洞的母體。

解釋黑洞如何繼承磁性的信息圖。來源：露西閱讀Ikkanda/西蒙斯基金會
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黑洞的磁性母體：中子星
科學家們意識到，也許之前對坍縮中子星的模擬并不能提供全貌。
Gottlieb說：“過去的模擬只考慮了孤立的中子星和孤立的黑洞，在坍縮過程中，所有的磁性都消失了。然而，我們發現這些中子星和黑洞一樣，都有自己的吸積盤。” 。
“所以，這個想法是，也許吸積盤可以保存中子星的磁場。這樣，一個黑洞就會形成，其磁場線與中子星相同。”
該團隊的計算表明，當中子星坍縮時，在其所有磁場被新形成的黑洞吞噬之前，中子星的圓盤被黑洞繼承，其磁場線被錨定。
Gottlieb說：“我們對這些系統中預期的典型值進行了計算，在大多數情況下，黑洞盤形成的時間尺度比失去磁性的黑洞的時間尺度短。” 。“因此，這個圓盤使黑洞能夠繼承其母親中子星的磁場。”
對整個宇宙的影響
Gottlieb對這一新發現感到興奮，不僅因為它解決了一個長期存在的謎團，還因為它為進一步研究噴氣式飛機打開了大門。
他說：“這項研究改變了我們對什么類型的系統可以支持射流形成的看法，因為如果我們知道吸積盤意味著磁性，那么從理論上講，你所需要的就是早期形成的吸積盤來為射流提供動力。” 。“我認為，既然我們知道了這一點，重新思考恒星群和噴流形成之間的所有聯系對我們來說將是有趣的。”
Gottlieb認為團隊科學和CCA的能力使這項工作成為可能。
他說：“這是一項多學科合作，使我們能夠從不同方向解決這個問題，并形成恒星坍縮后演化的連貫圖像。” 。
“CCA豐富的計算資源使我們能夠比以往任何時候都更一致地模擬坍塌。我認為這兩個方面導致了一種創新的方法。”

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