黑洞如此“明亮”,為何銀河系中心黑洞卻如此昏暗?
2020年04月28日08:01
熱氣體落入銀河系中心的超大質量黑洞人馬座A*的場景(計算機模擬)
熱氣體落入銀河系中心的超大質量黑洞人馬座A*的場景(計算機模擬)

  4月28日消息,根據定義,黑洞是宇宙中密度極為巨大的天體,因此具有極其強大的引力,以至於光都無法逃脫。但是,如果你隨便問一個天體物理學家,他們都會說黑洞是宇宙中最明亮的物體之一。這是怎麼回事呢?

  在某種程度上,這麼說的原因在於黑洞並不是單獨存在的。位於星系中心的超大質量黑洞通常被灼熱的氣體雲所包圍,而當這些物質流入黑洞時,就能在星系最黑暗的地方產生宇宙光環。

2019年5月,人馬座A*爆發了一次巨大的耀光,這是由凱克望遠鏡拍攝的紅外圖像
2019年5月,人馬座A*爆發了一次巨大的耀光,這是由凱克望遠鏡拍攝的紅外圖像

  奇怪的是,銀河系中心的黑洞卻不像天體物理學家預期的那樣明亮。相對而言,弄清銀河系中心黑洞為何如此昏暗的原因,將有助於我們瞭解光線與落入黑洞的物體之間的聯繫。

  為什麼黑洞如此明亮?

  黑洞發光的方式有許多種。當來自附近恒星的氣體落入黑洞時,這些氣體會像排水口的水流一樣產生螺旋。在這個時候,氣體會相互摩擦,逐漸升溫。這基本上就和用兩根木棍生火的過程是一樣的,只不過落入黑洞的氣體可以達到數百萬度的高溫。

  組成這些氣體的原子會被拉扯開,產生大量的正離子和負電子。攪動的帶電粒子會產生湍流磁場,將氣體彙聚成兩股指向相反方向的噴流。如果其中一股噴流的角度恰好指向地球,我們就會看到一個明亮的黑洞。

  不過,有時我們也不需要直接位於噴流的路徑上。這些噴流也可能撞擊附近的氣體雲,甚至鄰近的星系,從而產生獨特的輝光。

  銀河系中心的“昏暗”黑洞

  在我們銀河系的中心,存在著有一個異常平靜的“怪物級”黑洞。資深天文學家、事件視界望遠鏡(EHT)項目科學家包傑夫(Geoffrey Bower)說:“作為一個黑洞,作為一個能量系統,它幾乎是死的。”

  那到底是為什麼呢?美國密歇根大學的天體物理學家莉亞·科拉萊斯(Lia Corrales)說:“我們知道有某種機製可以阻止物質到達銀河系中心,或者到達黑洞本身並落進去,但是我們還沒弄清楚這種機製到底是什麼。”

  一種觀點認為,當氣體落入黑洞並被加熱時,壓力的增加會將氣體推出。事實上,在不久前發表於《天體物理學雜誌》(The Astrophysical Journal)的一篇論文中,科拉萊斯和同事們公佈了對錢德拉X射線衛星觀測數據的統計分析結果。在長達一年的時間里,該衛星對銀河系中心黑洞人馬座A*(Sagittarius A*)進行了持續觀測。研究發現,人馬座A*附近的熱氣體正在向外移動並逐漸冷卻。

  然而,人馬座A*並沒有死。它還在一直活動,有時會變亮幾百倍。天文學家不確定這些耀光是熱氣體團落入黑洞的結果,還是激波穿過氣體,或者是磁性物質的弓形折斷的結果,就像以弧線拋射出去的太陽耀斑一樣。

  為了獲得整個過程的全貌,天文學家試圖同時通過多種不同類型的望遠鏡來觀察人馬座A*。事件視界望遠鏡(EHT)是其中的重點。該計劃將11個遍佈地球的望遠鏡結合起來,形成一台口徑相當於地球直徑的虛擬望遠鏡。EHT可以觀測到發光的氣體如何在黑洞的外圍緩慢移動,然後落入黑洞。其他望遠鏡可以觀測到離黑洞更遠的地方發生了什麼。然後,天文學家可以比較這些觀測結果,瞭解究竟是什麼導致了耀光。

  最早在2017年時,EHT開始用這11台望遠鏡中的8台觀測人馬座A*(餘下3台在後來也加入了觀測行列)。每年春天,EHT的所有望遠鏡只能觀測10天,這是一個極其短暫但能夠極大減少誤差的觀測窗口。不幸的是,2018年的惡劣天氣限製了觀測,而在2019年,技術故障迫使天文學家取消了觀測計劃。

  不過,天文學家在2017年獲得了幸運的結果。他們不僅能夠通過太空中的錢德拉X射線望遠鏡的觀測來協調EHT的運行,而且恰好觀測到了人馬座A*發出耀光的時候。目前天文學家還沒有公佈這些數據。

  不走運的是,原定於3月26日開始的2020年觀測活動日COVID-19疫情的爆發而取消。天文學家將不得不推遲到2021年再對人馬座A*進行下一次觀測。銀河系中心這個安靜的黑洞將不得不繼續等待。(任天)

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