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银河系黑洞:近来我有点烦躁

它的“暴脾气”会给我们地球人造成什么影响?

经过历年来不断地观测发现,我们星系中央的黑洞逐渐有些“坐立不安”,正在变得越来越活跃......

黑洞:你只看到了我的皮囊

黑洞,是广义相对论预言的超级致密天体,它以强大的引力吸引一些物质,像宇宙中的一个“怪兽”,吞食着来自宇宙的万物。几乎所有星系的中央,都一颗超大质量黑洞的存在。它仿若一个威严的君主,指挥着星系里所有恒星的运动,吞噬掉任何向自己来犯的“示威者”,掌控着这一庞大星系“国家”的运行。

在我们银河系中央——银心处,就有着一颗超大质量黑洞,我们称之为人马座A(Sgr A*)。抬头仰望,它藏匿在人马座和天蝎座的边界地带,隐匿于璀璨星光的光辉里,却默默地调度着银河系的一切。它的质量是太阳的400万倍左右,强大的引力使得周边的空间弯曲,甚至光子也无法逃脱。科学家们无法通过望远镜直接辨识出黑洞的样子,这又渲染出了黑洞高高在上的“君主”形象。

银河系黑洞:近来我有点烦躁-第1张图片

(图源:npr.org)

在所有的星系中央几乎都有这样的超大质量黑洞,它悄悄地藏匿在光辉璀璨中心里

不过,物质受到黑洞的强引力作用下会朝着黑洞下坠。这一“掉落”的过程是螺旋式的,物质会形成围绕着黑洞的盘状结构。过程中由于物质彼此之间存在摩擦,摩擦的光子有机会可以被我们看到。科学家们根据这样的特性就能“看到”黑洞了,然而实际上看到的不是黑洞本身,而是它的“吸积盘”。

去年四月份,科学家们通过事件视界望远镜(EHT)冲洗出了第一张黑洞照片——位于M87星系的超大质量黑洞。因为它和我们银河系的黑洞有很多相似,科学家们相信未来呈现的银河系黑洞照片的模样也是大同小异。

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(图源:Wikipedia.org)

2019年4月,利用事件视界望远镜(EHT)冲洗出的M87星系黑洞照片

黑洞并不像我们想的那样一成不变。正如君主也会有“龙颜大悦”和“勃然大怒”之间的情绪转变,黑洞在自身的生命历程里也会有对应的“情绪”变化。

科学家们可以利用不同的观测手段,对银河系黑洞进行“望闻问切”式的精确诊断,从而方便揣测这颗主宰我们星系的黑洞,脾气如何:是一如既往的平静(对应相对稳定的数据),还是突然开始耍小性子(检测到异常的光子流量变化)。

闪烁的耀斑是它那不羁的灵魂

科学家们常常能发现黑洞的“闪烁”,尤其是通过x射线波段观测时,由于探测器上会短时间接收到光子,使得流量增加,这便是与黑洞“脾气”相挂钩的耀斑。

耀斑是由一种叫做日冕的神秘结构触发。你没有听错,黑洞也有日冕。我们熟知太阳有日冕。太阳的日冕由高速的等离子体组成,自由电子就是等离子体的一种。

太阳色球层和光球层的外侧,是太阳大气的最外层。和太阳的日冕相似,星系中心的巨大黑洞周围,也存在着这样的冕状物质。

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(图源:Wikipedia.org)

在日全食时,黑暗的太阳外围是银白色的光芒,像帽子似地扣在太阳上,因此称为日冕

日冕是导致耀斑的“罪魁祸首”。围绕黑洞盘旋的吸积盘上,有着大量的高能电子,这些电子相互联结成为结构复杂的黑洞日冕。尽管天文学家们知道黑洞上日冕的存在,但是具体是什么样的结构我们还是心存疑惑。或许像灯泡,也或许像夹心饼干。但可以确定的是,这些围绕着黑洞盘旋的高能狂躁电子会不断的地寻找着发泄自己的窗口,那些飞离吸积盘的紫外光子就是它们的目标。这些狂躁之徒与光子的相互作用,产生能量更高的X射线光子,随后这些X射线又会折返回到吸积盘上,和上面的物质相互作用,给我们在光谱学上留下了可供参考的“指纹”。

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(图源NASA)

插图显示了一个被漩涡吸积盘包围的超大质量黑洞。紫色的辉光代表着黑洞的日冕,它包含了高能粒子,可以产生x射线

我们大可以通过这些指纹来判断黑洞转动得有多快,自然而然就能知道它的脾气最近是怎么变化的了。

它开始烦躁了?

正如人的情绪一般,每天有一些小波动很正常,银河系中央辐射的亮度也都在一个基础值附近波动。但是结合历年来的观测数据和科学研究结果,它可就显得越来越不安分了。

最近就有一组研究团队展示了表明黑洞不安的一系列发现:我们星系中央黑洞的X射线耀斑越来越多了。

我们不妨先看一看它们是怎么越来越多的。

2013年,有研究团队借助钱德拉望远镜观测到了45次耀斑,耀斑发生的频率是每天1.3个。

2016年,又有一组团队再度结合着钱德拉望远镜共探测到了82次耀斑,分析得到的耀斑发生次数为每天1.6次。

2017年,有学者撰写论文称,在动用了XMM-牛顿、钱德拉塞卡、斯威夫特这三台设备后,于一定的时间内观测到了107次这样的事件,计算得到的平均发生率为每天3次左右。

2018年,又有人分析了钱德拉望远镜从2012年至2018年的探测结果,挖掘出被掩盖的新的58例案例,计算的耀斑平均发生率也是每天3次左右。

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(论文插图)

利用前两个X射线望远镜获得的从1999年-2018年黑洞耀斑的变化情况,横坐标是观测到的亮度,纵坐标反映耀斑的持续时间

越来越多的观测表明我们眼前的这颗黑洞变得愈加地活跃。科学家们将前前后后大部分的X射线观测数据结合在了一起,经过一通猛如虎的分析,得出的主要结论是:至少在X射线波段黑洞确实闪烁的得越来越频繁了。

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(拼接自网图)

揭示黑洞X射线耀斑的“三驾马车” 左上为钱德拉望远镜,左下为XMM-牛顿,右图为斯威夫特X射线观测设备,他们是本世纪初X射线天文学主要的观测设备,而黑洞的X射线辐射,刚好是它们大显身手的地方。

烦躁往往不体现在一个方面

探寻黑洞活跃的过程与盲人摸象的过程很相似。

我们无法拥有上帝视角去洞察一切,所以需要凭借自己观测的数据来揣度黑洞这个“大象”的真实。摸象的盲人越多,能给出的关于大象的形容词语也越多,我们将这些只言片语的词句凑合拼凑起来,就能够慢慢拼凑描摹出大象的模样。X射线波段就相当于是摸银河系中央大黑洞的一个“盲人”。而另外参与“摸象”的,还有电磁波谱里近红外波段和射电波段两位协助者在摩拳擦掌。

接近红外线的波段,从2003年开始,就被发现黑洞耀斑发生频率逐年增加的端倪。通过美国的甚大望远镜(VLT)和凯克望远镜从03年到13年断断续续的观测结果,我们确实发现了黑洞的活跃度是逐年增加的。就在去年,黑洞就在这一波段还发生过一次剧烈的闪烁事件,闪烁的亮度达到了它平均亮度的75倍,也是这一波段上从未观测到的最亮值了。

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(Wikipedia.org)

位于美国夏威夷州的凯克天文台,它可以采集来自宇宙各个方向的红外线

射电频率方面,一些大型的射电望远镜阵列也捕获到了不断增加的流量,虽然和X射线耀斑的一天三次左右的闪烁频率相比,射电频段的闪烁几天才会有一次,但是也隐隐约约同黑洞的烦躁不安搭上了钩。至于二者为什么闪烁时间不一致,科学家们猜想,这里面或许存在物理机制的不同,使得不同波段观测到的黑洞闪烁不一致;也有可能同望远镜的分辨率有关。

还记得去年四月揭示第一幅黑洞图像的事件视界望远镜(EHT)吗?它是文章开头冲洗出第一张黑洞照片的“照相机“。通过将全世界一些大型的射电阵列整合起来,我们收获了有效直径达到地球大小的超大“望远镜”。天文学家们相信通过这样的方法可以让我们的千里眼看得更清晰,也更加遥远。去年有科学家们利用这双慧眼已经揭示了隔壁星系M87的黑洞真面貌,下一步的目标,就是要对我们银河系的中央大黑洞进行“外科手术”式的调研了。

我们该担心吗?

或许有朋友担心黑洞越发焦躁的脾气会不会影响到我们。要知道,我们的太阳地处银河系边缘,这颗主宰我们的银河系大黑洞距离我们有2.7万光年,而这里已经到达黑洞势力的边缘地带了。

天高皇帝远,在这么远的尺度上,黑洞的烦躁对我们来说也算不上什么。

在一系列摧毁地球的天外来客方案中,除了小行星撞击,横扫地球的超强伽马射线爆也是一个值得考量的因素。目前根据我们对黑洞研究所取得的发现上来看,我们的黑洞出现后者情况的概率,和太阳明天就熄灭的概率差不多。所以我们大可安心做自己该做的事情,不必担心黑洞会对我们的地球造成什么影响。

关于黑洞现在的“调皮捣蛋“,有科学家们认为这只是黑洞一时的耍耍性子,过一整子可能就消停了;也有可能是我们的黑洞正在经历成长历程中的”蜕变“,开始从“儿童”向叛逆期的“青少年”转变,这些闪烁的耀斑以后发生的频率还会越来越多,越来越剧烈。

科学嘛,探求未知的路上总有很多疑惑和未知。我们应该抛开杞人忧天的包袱,应当期待着科学家们可以利用火眼金睛,让一直以来星系中央这颗始终对我们“犹抱琵琶半遮面”的超大质量黑洞,露出它的庐山真面目。

参考文献

[1]Mossoux E, Finociety B, Beckers J M, et al. arXiv:2003.06191, 2020.

[2] Gillessen, S., Eisenhauer, F., Fritz, T. K., et al. 2009, ApJ, 707, L114]

[3]Guainazzi, M. 2013, XMM-Newton Calibration Technical Note; XMM-SOCCAL-TN-0018, Calibration status document, ESA-ESAC, Villafranca del Castillo, Spain

[4] Wikipeida.org-Sagittarius A

[5]https://skyandtelescope.org/astronomy-news/how-black-holes-flare-0511201523/

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