一個(gè)復(fù)雜的過程 

當(dāng)我們談到黑洞時(shí)，可能很多人會(huì)把它想象成一個(gè)巨大的“太空吸塵器”，它能吸走附近的所有物質(zhì)。但事實(shí)上，物質(zhì)落入黑洞的過程并沒有那么簡(jiǎn)單。如果物質(zhì)離黑洞不夠近，且只感受到引力，它就可以無限地繞黑洞運(yùn)行，就像太陽系中的行星繞太陽運(yùn)行一樣。

要被黑洞吞噬，還需要存在引力之外的東西，讓物質(zhì)可以足夠靠近黑洞。這個(gè)過程就是吸積。事實(shí)上，無論是在吞噬物質(zhì)的黑洞還是在形成行星的恒星系統(tǒng)周圍，都可以觀測(cè)到吸積盤的存在。

圍繞著黑洞旋轉(zhuǎn)的吸積盤。（圖/NASA/Goddard Space Flight Center）

但要發(fā)生吸積，吸積盤中的物質(zhì)就必須損失角動(dòng)量，具體來說，角動(dòng)量必須從吸積盤的內(nèi)部向外部傳遞。然而，角動(dòng)量是守恒的，而吸積過程中的角動(dòng)量傳遞過程，顯然違背了角動(dòng)量守恒定律。

于是，一個(gè)長(zhǎng)期困擾科學(xué)家的問題便產(chǎn)生了：究竟是什么驅(qū)動(dòng)了角動(dòng)量的傳遞？

  難以證明的理論 

1991年，理論物理學(xué)家Steven Balbus和John Hawley認(rèn)為，標(biāo)準(zhǔn)磁旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定性（SMRI）是吸積盤中角動(dòng)量傳遞的一種潛在機(jī)制，由SMRI驅(qū)動(dòng)的湍流，很可能在吸積中發(fā)揮了重要作用。

Balbus和Hawley提出，無論是在等離子體還是液態(tài)金屬中，磁場(chǎng)的存在會(huì)使得這些導(dǎo)電流體像被彈簧連接了一樣，產(chǎn)生湍流，使角動(dòng)量可以在吸積盤的不同部分之間傳遞。上圖顯示了在垂直磁場(chǎng)中的SMRI：圖中的綠色小球代表了吸積盤中的導(dǎo)電流體，它們繞灰色的大質(zhì)量天體運(yùn)動(dòng)，在軌道上慢慢彼此分離。當(dāng)存在一個(gè)垂直于屏幕的磁場(chǎng)時(shí)，綠色小球會(huì)在回復(fù)力的作用下，相互牽引，宛若被彈簧相連。由于不同的綠色小球處于略微不同的軌道上，因此引力會(huì)對(duì)其產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，更靠?jī)?nèi)的小球旋轉(zhuǎn)得更快，然后被“彈簧”拉回，失去角動(dòng)量，向有著更小半徑的軌道回落；更靠外的小球會(huì)被加速，獲得角動(dòng)量，向外移動(dòng)?！皬椈伞睍?huì)被進(jìn)一步拉伸，轉(zhuǎn)矩會(huì)增強(qiáng)，兩個(gè)小球會(huì)繼續(xù)以更快的速度分離。（圖/素材來源：Hung et al. / Nature）

在過去30多年里，在理論和計(jì)算方面，SMRI已經(jīng)得到了廣泛的研究和驗(yàn)證。但一直以來，這種機(jī)制在實(shí)驗(yàn)和觀測(cè)方面尚未得到明確驗(yàn)證。

直到現(xiàn)在，普林斯頓大學(xué)等離子體物理實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家用兩篇分別發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》和《自然通訊》雜志上的論文，報(bào)告了他們首次在實(shí)驗(yàn)室中，利用一個(gè)巧妙的液態(tài)金屬實(shí)驗(yàn)證實(shí)了SMRI理論的存在。

  巧妙的泰勒-庫埃特實(shí)驗(yàn)裝置  

驗(yàn)證SMRI的實(shí)驗(yàn)需要兩個(gè)關(guān)鍵部分，一個(gè)是轉(zhuǎn)動(dòng)速度向外減小的導(dǎo)電流體，和一個(gè)中等強(qiáng)度的磁場(chǎng)。這可以通過在一種名為泰勒-庫埃特流動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置中添加液態(tài)金屬來實(shí)現(xiàn)。這種裝置由兩個(gè)獨(dú)立的同心同軸圓柱體組成，兩個(gè)圓柱體以不同的速度旋轉(zhuǎn)，之間的間隙可用于充滿液體。

然而，在傳統(tǒng)的泰勒-庫埃特裝置的頂部和底部，都存在要么與內(nèi)圓柱體固定，要么與外圓柱體固定的端蓋。而吸積盤的頂部和底部是沒有蓋子的。因此，傳統(tǒng)的泰勒-庫埃特裝置中的流體的運(yùn)動(dòng)與天體周圍的吸積盤是不一樣的。在過去30年里，這種看似微不足道的差異，阻撓了想要用實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證SMRI的科學(xué)家的前進(jìn)腳步。

在新研究中，普林斯頓的研究人員用一個(gè)巧妙的方法解決了這個(gè)困擾。在新搭建的泰勒-庫埃特裝置中，他們將頂部和底部的端蓋設(shè)計(jì)成了兩個(gè)可以獨(dú)立旋轉(zhuǎn)的環(huán)，讓它們的轉(zhuǎn)動(dòng)速度就介于內(nèi)外圓柱體之間。這樣的設(shè)計(jì)可以有效緩解困擾傳統(tǒng)的泰勒-庫埃特實(shí)驗(yàn)的二次流。

實(shí)驗(yàn)裝置由兩個(gè)同心圓柱體組成，圓柱體之間被充滿液態(tài)鎵銦錫合金的間隙隔開。圓柱體以不同的速度旋轉(zhuǎn)，實(shí)驗(yàn)頂部和底部的分體式端蓋以介于圓柱體之間的速度旋轉(zhuǎn)。最后，對(duì)系統(tǒng)施加中等強(qiáng)度的磁場(chǎng)。（圖/APS/Carin Cain）

在兩個(gè)圓柱體之間的間隙中充滿了一種名為鎵銦錫合金的液態(tài)金屬合金。這是一種黏度大約是水的2倍，但電阻率約為水的億分之一的材料。如此低的電阻率意味著在這種流體中，流動(dòng)的電流對(duì)其運(yùn)動(dòng)有著非常重要的影響。

  SMRI理論的初步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證  

通過測(cè)量?jī)?nèi)圓柱體上的磁場(chǎng)的徑向分量，研究人員揭示了SMRI理論所預(yù)期的特征。并發(fā)現(xiàn)當(dāng)磁場(chǎng)超過一定的臨界閾值時(shí)，徑向分量的強(qiáng)度開始非線性增加，這是不穩(wěn)定性的關(guān)鍵指標(biāo)。

除了在實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到了SMRI預(yù)測(cè)的種種行為，研究人員還進(jìn)行了數(shù)值模擬。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果的結(jié)合進(jìn)一步驗(yàn)證了SMRI理論。

這是一項(xiàng)意義重大的實(shí)驗(yàn)。因?yàn)殚L(zhǎng)期以來，科學(xué)家一直懷疑SMRI是吸積的關(guān)鍵，卻苦于沒有實(shí)驗(yàn)證明，僅通過計(jì)算才知其存在?，F(xiàn)在，這項(xiàng)工作為SMRI提供了堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

研究人員表示，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)為角動(dòng)量的傳遞進(jìn)行了估計(jì)，但他們希望在未來的工作中，將可以更精確地測(cè)量這一物理量。另外，值得一提的是，鎵銦錫合金的性質(zhì)與構(gòu)成吸積盤的等離子體的性質(zhì)有很大不同。因此，未來的實(shí)驗(yàn)將需要研究黏度與電阻率都有別于鎵銦錫合金不同的流體，以更好地了解天體的動(dòng)力學(xué)。