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黑洞“进食”,即将上演的“天文大戏”


□ 张唯诚

摘 要:

相对于宇宙邻居仙女座星系而言,我们地球所在的银河系显得过于平静,这是很奇怪的现象。因为和仙女座星系一样,在“银心”,即银河系的中心,也有一个超大质量的黑洞,称为人马座A★,其质量是太阳质量的400多万倍。在其他星系中,通常一个如此巨大的黑洞会是一个令人惊异的射电源,当它吞噬气体的时候,会发出猛烈的可见光和X射线,然而人马座A+并没有那样。科学家们推测,这可能与它的气体供应不足有关。

  相对于宇宙邻居仙女座星系而言,我们地球所在的银河系显得过于平静,这是很奇怪的现象。因为和仙女座星系一样,在“银心”,即银河系的中心,也有一个超大质量的黑洞,称为人马座A*,其质量是太阳质量的400多万倍。在其他星系中,通常一个如此巨大的黑洞会是一个令人惊异的射电源,当它吞噬气体的时候,会发出猛烈的可见光和X射线,然而人马座A*并没有那样。科学家们推测,这可能与它的气体供应不足有关。

  几年前,德国科学家斯蒂芬·吉列斯在研究人马座A*时遇到了一件令他震惊的事情——发现了一团可疑的气体云。那团气体云并没有在距人马座A*足够远的安全地带运行,而是正在以极高的速度靠近黑洞。在接下来的观测中,科学家们发现,那团气体云的体积小于太阳系,接近黑洞的速度达每秒2500千米。也就是说,在今年的晚些时候,这团被命名为G2的气体云就要抵达黑洞的边缘了,届时,银心的平静会被打破。科学家们推测,假若人马座A*的平静果真与气体供应不足有关,那么,当它有了这团气体云作为“食物”后,它就应该活跃起来。

  探测银心黑洞的“火眼金睛”

  银心的平静是相对其他星系而言的,事实上,那里是一个“极端之地”:恒星是高密度的,气体云也是高密度的,它们以极快的速度绕人马座A*疯狂地旋转。人们曾观测到一颗恒星运行得如此之快,其速度达到每秒5000千米,这样快的速度使它绕银心一周只需要16年,而其他同类的天体通常需要好几百年乃至数万年才能运行一周。事实上,这电正是银心存在着超大质量黑洞的有力证据,因为一颗靠近黑洞的天体必须运行得非常快,否则它就会坠入到黑洞中。

  对于天文学家来说,研究银心是一项相对困难的工作,因为来自银心的可见光在抵达地球之前就被大量尘埃吸收掉了。假若我们以同样多的尘埃去遮挡太阳,那正午的太阳就会变得比夜空中的北极星还要暗,而天空也会变成漆黑一片。所以,要看清楚“银心”究竟发生了什么,我们必须研究一些能够穿透尘埃的射线,例如射电波、红外光和x射线等。

  研究显示,作为一个黑洞,人马座A*并没有什么惊人之处,它只比太阳亮100倍,相比之下,有些恒星,例如参宿四就比太阳亮10万倍。在宇宙中,一些黑洞的质量可以达到太阳质量的几十亿倍。大量气体在落入黑洞时被加热并发出强烈的射线,从而产生了宇宙中最神秘的天体——类星体。这种天体发现于50年前,是宇宙中最明亮的天体。

  2012年6月,美国宇航局将“核光谱望远镜阵列”送人太空。这架望远镜擅长观测高能x射线。当物质坠入黑洞的时候,这种x射线会从黑洞边缘的灼热气体中释放出来,所以“核光谱望远镜阵列”被认为是观测银心黑洞的“火眼金睛”。事实上,“核光谱望远镜阵列”当年便观测到了一次来自人马座A*的X射线爆发。多数科学家认为,这次爆发可能产生于贯穿黑洞周围气体的磁场,也可能产生于磁场脱离黑洞周围气体盘后引发的一道能量喷流。

  不过也有人推测,那个X射线爆发的“肇事者”是一颗倒霉的小行星。根据英国科学家谢尔盖·尼亚克欣的分析,这颗小行星的直径大约10千米,原本存在于一个环绕银心的由大量岩石组成的“碎片云”中,但由于受到引力的牵引,它靠近了黑洞并被引力撕扯成了一团温度达1亿摄氏度的气体云,从而产生了那种X射线爆发。根据尼亚克欣的推测,在银河系的中心,大约每隔10万年便会有一颗不幸的行星以这种方式结束自己的生命,其中有些还表现得极为惨烈。

  破解银心“大爆炸”之谜

  科学家们一直在观测银河系的中心,他们看到一道剧烈爆炸的回波在银心周围传播着,这种回波来自附近气体云的反射。这道回波发源于100年前发生在人马座A*的一次巨大的爆炸。

  那次爆炸极其剧烈,产生的亮度相当于100万个太阳发出的光,但人们还是无法回答这是由什么造成的,是一颗“自杀”的行星?还是一次剧烈的磁爆?要解开这个谜团,也许得依靠未来的“视界望远镜”了。它是一种“虚拟”的望远镜,能将全球的射电望远镜连接起来以形成一个巨大的网络。“视界望远镜”的首次观测连接了三台射电望远镜,接下来,天文学家们将进一步连接位于智利和南极洲的射电望远镜,这样,“视界望远镜”的观测能力就更加强大了。

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