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光對黑洞的逃逸速度
光對黑洞的逃逸速度
更新时间:2025-04-04 09:58:36

光對黑洞的逃逸速度(能劈開光子降低光速)1

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一、地球上磁場強度的極限

别看萬磁王片酬很高,其實他産生的磁場并不算高。

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根據物理定律,他的磁場再高也不會超過地磁場的 100 萬倍。

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這是因為,如果萬磁王的磁場強度超過了地球磁場的 100 萬倍,磁場産生的拉力就會超過萬磁王能承受的極限,把萬磁王撕成碎片。到那時候,萬磁王自己就會變成

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所以,在地球上,4.5×10⁵ 高斯是磁場強度的極限。要想讓磁場超過這個極限,我們就得把目光投向宇宙深處。

二、超越萬磁王10億倍

天文學家認為,在宇宙深處,有一種天體能夠産生10¹²~10¹⁵ 高斯的強大磁場,(最強時)比萬磁王還要強大 10 億倍,叫作磁星(Magnetar)。

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這麼強大的磁場,不但超過了地球的極限,甚至也超過了經典力學的極限,進入了量子力學的範圍。根據計算,磁星的磁場可以産生四種神奇的量子力學現象

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三、磁星為什麼不會把自己撕碎?

說到這兒你可能會問了,既然磁星的磁場這麼強大,磁星為什麼不會把自己撕碎呢?這就要說到磁星的本來面目:中子星

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中子是原子核裡的一種粒子,它的尺寸比原子小得多。如果把你縮小到中子的大小,你會發現,原子内部其實很空曠,有大量空間可以裝東西。

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當一顆巨大的恒星死亡時,它就會在萬有引力的作用下發生塌縮,把原子壓碎,把電子壓進原子核,和質子反應,變成中子,最終形成一顆直徑不超過 20 千米的、不斷高速自轉的中子星。

所以說,磁星就是由一大堆密密麻麻的中子組成的。說白了,磁星本身就是一個巨型“原子核”。

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所以,磁星為什麼不會把自己撕碎?因為巨型“原子核”的材料非常堅硬,根本不怕撕。

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四 、如何才能看到磁星?

說了這麼多,我們怎樣在哪兒能找到這麼厲害的磁星呢?答案是很難,磁星的形成過程非常劇烈,導緻周圍煙霧彌漫,啥也看不見。

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要想看到磁星,看起來似乎隻有一個辦法,那就是觀察磁星發出的短伽馬射線暴

原來,在磁星強大的電場和磁場的作用下,磁星會沿着磁極以亞光速向外噴射大量物質,并發出大量的、穿透力極強的伽馬射線

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(美編:看這就是磁星的意大利炮,膩害不?)

原視頻作者:ScienceAtNASA

如果站在地球上看,就像夜空中有人拿激光筆晃了晃地球的眼睛。可惜,磁星的這枚激光筆是一次性的,晃一次就沒有了,而且持續時間不超過2秒鐘。

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(美編:隻照射一次我的眼睛都快瞎了,老闆快給我加工資。不然)

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那麼問題來了,萬一磁星的“激光筆”沒有對準地球呢?根據天文學家的計算,天上的磁星應該有不少,可惜大部分磁星的“激光筆”都不會剛好對準地球。

難道我們真的很難發現它們的蹤迹,隻能任由它們在宇宙中飄蕩嗎?

五、激光筆沒對準?還有手電筒!

2019 年 4 月 11 日,中國科學技術大學的薛永泉及鄭學琛,和美國内華達大學張冰,北京大學李晔與紫金山天文台吳雪峰等人在《自然》雜志發表了一篇論文。

他們宣布,在沒有觀察到任何短伽馬射線暴的情況下,他們在 66 億光年外的一個星系邊緣,發現了一顆大質量毫秒磁星

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那麼,他們是通過什麼辦法發現這顆磁星的呢?答案是,探測磁星發出的 X 射線“手電筒”

原來,在磁星形成以後,它不但會朝着一個很小的角度發射伽馬射線,還會朝着一個很大的角度發射X射線。

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由于磁星X射線的發射範圍很廣,它就比伽馬射線更容易對準地球,從而被天文學家觀測到。

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如果站在地球上看,就像夜空中有人拿手電筒照地球的眼睛。

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于是,研究團隊在查看錢德拉 X 射線空間望遠鏡的數據時發現, 真的有人用這樣的手電筒照過地球的眼睛

2015 年 3 月,夜空中突然冒出來一個新的 X 射線源(XT2),它一直亮了 7 個小時,然後徹底熄滅。這叫作 X 射線暫現源

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研究團隊發現,這個 X 射線暫現源有兩個特點:

第一,在最初的半個小時内,它的亮度幾乎不變(見下圖)。這很符合磁星發射 X 射線“手電筒”的特點

由于磁星會源源不斷地将轉動的動能傳給磁場,再由磁場傳給X射線,所以,X射線的亮度在爆發初期會保持不變。

第二,過了半小時以後,它的亮度突然快速下降,并且,下降的速度正好跟時間的平方呈反比。打個比方,這就相當于說,1分鐘後,它的亮度降低1倍;2分鐘後,它的亮度降低4倍;3分鐘後,它的亮度降低9倍;以此類推(見下圖)。

這也很符合磁星發射X射線“手電筒”的特點:随着磁星自轉速度越來越慢,它向外傳輸的能量會越來越少,因此,X射線的亮度也越來越低。

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最後,在綜合各種觀測數據,并結合各種相關理論模型後,研究團隊指出:這場爆發中的X 射線,全部來自一顆磁星發射的X射線“手電筒”!這顆磁星就位于66億光年外的一個星系的邊緣。

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而且,這不是一顆普通的磁星,而是轉動速度很快(每秒幾百圈)大質量磁星——它極有可能是由兩顆高速繞轉的中子星合并後形成的

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(中子星合并過程的模拟動畫,視頻原作者:Stu Shapiro)

這次 XT2 的發現,讓天文學家收獲很大。

首先,它不但證明雙中子星合并能夠産生磁星,同時,它還幫助天文學家更為深入地了解了中子星的内部物質狀态。研究團隊指出,這顆大質量磁星既沒有因為高速自轉而散架,也沒有立刻坍縮成黑洞,一是說明高速自轉産生的離心力幫忙抵抗它自身的強大引力,二是說明它内部的物質足夠硬(從而更善于抵抗自身引力),而且比許多理論模型想象的還要硬

其次,它證明,即使伽馬射線的“激光筆”沒有對準地球,我們還是可以通過探測 X 射線“手電筒”來探測磁星。這種方法使得天文學家探測磁星變得容易許多!

在未來,天文學家希望通過這種方法,同引力波天線一起,共同探究更多中子星合并過程,進一步揭開神秘磁星的奧秘

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作者:Sheldon

繪制:Mirror、周源、黃呆

美指、對白:牛貓

排版:胡豆

鳴謝:薛永泉

本文已發表于墨子沙龍,版權歸墨子沙龍所有

本頁刊發内容未經書面許可禁止轉載及使用,

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參考文獻:

1. Y. Q. Xue, et. al., A magnetar-powered X-ray transient as the aftermath of a binary neutron star merger, Nature, 568, pages198–201 (2019).

2. C. Kouveliotou, et. al., Megnetar, Scientific American (2003).

3. E. Nakar, et. al., Short-hard gamma-ray bursts, Physics Reports 442 (2007) 166 – 236.

4. A. Rowlinson, et. al., Signatures of magnetar central engines in short GRB lightcurves, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2013) 430(2).

5. http://solomon.as.utexas.edu/magnetar.html

關于“墨子沙龍”

墨子沙龍是由中國科學技術大學上海研究院主辦、上海市浦東新區科學技術協會及中國科大新創校友基金會協辦的公益性大型科普論壇。沙龍的科普對象為對科學有濃厚興趣、熱愛科普的普通民衆,力圖打造具有中學生學力便可以了解當下全球最尖端科學資訊的科普講壇。

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