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天体物理学家说黑洞是宇宙中最明亮的物体 为何银河系中心黑洞却如此昏暗?

2020/5/1 12:30:00 移动版

2019年5月,人马座A*爆发了一次巨大的耀光,这是由凯克望远镜拍摄的红外图像


2019年5月,人马座A*爆发了一次巨大的耀光,这是由凯克望远镜拍摄的红外图像

热气体落入银河系中心的超大质量黑洞人马座A*的场景(计算机模拟)

热气体落入银河系中心的超大质量黑洞人马座A*的场景(计算机模拟)

据新浪科技(任天):根据定义,黑洞是宇宙中密度极为巨大的天体,因此具有极其强大的引力,以至于光都无法逃脱。但是,如果你随便问一个天体物理学家,他们都会说黑洞是宇宙中最明亮的物体之一。这是怎么回事呢?


在某种程度上,这么说的原因在于黑洞并不是单独存在的。位于星系中心的超大质量黑洞通常被灼热的气体云所包围,而当这些物质流入黑洞时,就能在星系最黑暗的地方产生宇宙光环。


奇怪的是,银河系中心的黑洞却不像天体物理学家预期的那样明亮。相对而言,弄清银河系中心黑洞为何如此昏暗的原因,将有助于我们了解光线与落入黑洞的物体之间的联系。


为什么黑洞如此明亮?


黑洞发光的方式有许多种。当来自附近恒星的气体落入黑洞时,这些气体会像排水口的水流一样产生螺旋。在这个时候,气体会相互摩擦,逐渐升温。这基本上就和用两根木棍生火的过程是一样的,只不过落入黑洞的气体可以达到数百万度的高温。


组成这些气体的原子会被拉扯开,产生大量的正离子和负电子。搅动的带电粒子会产生湍流磁场,将气体汇聚成两股指向相反方向的喷流。如果其中一股喷流的角度恰好指向地球,我们就会看到一个明亮的黑洞。


不过,有时我们也不需要直接位于喷流的路径上。这些喷流也可能撞击附近的气体云,甚至邻近的星系,从而产生独特的辉光。


银河系中心的“昏暗”黑洞


在我们银河系的中心,存在着有一个异常平静的“怪物级”黑洞。资深天文学家、事件视界望远镜(EHT)项目科学家包杰夫(Geoffrey Bower)说:“作为一个黑洞,作为一个能量系统,它几乎是死的。”


那到底是为什么呢?美国密歇根大学的天体物理学家莉亚·科拉莱斯(Lia Corrales)说:“我们知道有某种机制可以阻止物质到达银河系中心,或者到达黑洞本身并落进去,但是我们还没弄清楚这种机制到底是什么。”


一种观点认为,当气体落入黑洞并被加热时,压力的增加会将气体推出。事实上,在不久前发表于《天体物理学杂志》(The Astrophysical Journal)的一篇论文中,科拉莱斯和同事们公布了对钱德拉X射线卫星观测数据的统计分析结果。在长达一年的时间里,该卫星对银河系中心黑洞人马座A*(Sagittarius A*)进行了持续观测。研究发现,人马座A*附近的热气体正在向外移动并逐渐冷却。


然而,人马座A*并没有死。它还在一直活动,有时会变亮几百倍。天文学家不确定这些耀光是热气体团落入黑洞的结果,还是激波穿过气体,或者是磁性物质的弓形折断的结果,就像以弧线抛射出去的太阳耀斑一样。


为了获得整个过程的全貌,天文学家试图同时通过多种不同类型的望远镜来观察人马座A*。事件视界望远镜(EHT)是其中的重点。该计划将11个遍布地球的望远镜结合起来,形成一台口径相当于地球直径的虚拟望远镜。EHT可以观测到发光的气体如何在黑洞的外围缓慢移动,然后落入黑洞。其他望远镜可以观测到离黑洞更远的地方发生了什么。然后,天文学家可以比较这些观测结果,了解究竟是什么导致了耀光。


最早在2017年时,EHT开始用这11台望远镜中的8台观测人马座A*(余下3台在后来也加入了观测行列)。每年春天,EHT的所有望远镜只能观测10天,这是一个极其短暂但能够极大减少误差的观测窗口。不幸的是,2018年的恶劣天气限制了观测,而在2019年,技术故障迫使天文学家取消了观测计划。


不过,天文学家在2017年获得了幸运的结果。他们不仅能够通过太空中的钱德拉X射线望远镜的观测来协调EHT的运行,而且恰好观测到了人马座A*发出耀光的时候。目前天文学家还没有公布这些数据。


不走运的是,原定于3月26日开始的2020年观测活动日COVID-19疫情的爆发而取消。天文学家将不得不推迟到2021年再对人马座A*进行下一次观测。银河系中心这个安静的黑洞将不得不继续等待。

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