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饥饿的黑洞

2013-09-04 15:28 作者: 苗千来源:三联生活周刊
整个SagittariusA*的进食过程,将延续大约一年时间,最高潮将会出现在2013年9月份。随着越来越接近黑洞,这团气体云的温度逐渐升高,将发射出强烈的X射线,在地球上通过大型望远镜就可以观测到,这将是地球上的天文学家了解银河系中心黑洞的绝好机会。

 

德国马克斯普朗克射电天文学研究所内一位科学家在工作

 对于人类来说,宇宙中最神秘和危险的天体莫过于黑洞,这种黑暗且沉默的天体会吞没掉接近它的一切。但是天文学家在近几十年里发现,在大型螺旋星系和椭圆星系的中心,大多会存在着一个超大型黑洞,这种质量巨大的黑洞所产生的引力对于维系整个星系的结构起着重要作用。在银河系的中心,就存在着一个名为“SagittariusA*”(简称为SgrA*)的超大型黑洞,这个黑洞如同一个盘踞在银河系最深处的不动声色的巨型怪兽,吞掉一切敢于接近它的天体。

美国国家射电天文台的天文学家布鲁斯·贝里克(BruceBalick)和罗伯特·布朗(RobertBrown)在1974年就发现了SgrA*,但是直到21世纪天文学家才确认了它是一个超大型黑洞的所在。与人们想象中悄无声息的、无法看到的黑洞不同,实际上SgrA*是一个在银河系中非常耀眼的无线电波和红外线发射源。黑洞因为其强大的引力作用,连光线都无法逃脱,因此在理论上黑洞不可能被直接探测到,它只可能向外发射霍金辐射,但在实际上,在SgrA*的周围,受其引力作用,聚集着一层气体云,在这层气体云中包含着数以千亿计的小行星和彗星,这一层气体云也是在黑洞的周围、向银河系各处发射辐射的源头。

美国航空航天局发射的钱德拉-X射线天文望远镜平均每天都会接收到来自SgrA*的X射线闪烁,同时,欧洲南方天文台(ESO)的位于智利的超大望远镜也可以接收到这种闪烁。在银河系的中心,为什么会出现这种规律性的X射线闪烁,人们现在还不是特别清楚。但是,我们大体上也许可以把银河系中心的SgrA*超大型黑洞和太阳系做一个类比,在围绕着SgrA*超大型黑洞周围的气体云中的小行星或彗星,如果一些天体“不小心”运行到了黑洞周围1.6亿公里以内——这大概就是地球到太阳之间的距离,它们就可能被黑洞强大的引力所产生的“潮汐力”(黑洞对于天体各个部分的引力不同而产生拉扯)撕裂,从而在死亡前发射出强烈的X射线,这种辐射就会被地球接收到。在太阳系中,大概每三天,就会有一个不慎闯入太阳炽热大气层的小彗星,坠入太阳而毁灭,因此,科学家们猜测,一些小行星和小彗星被SgrA*超大型黑洞所吞没的比率很可能与太阳系摧毁小彗星的比率相似,这也可以解释为什么SgrA*会定期发射出强烈的X射线闪烁。

最近,很多天文学家都在兴奋地等待着一个天文学现象,这个在银河系中心的看似安静的超大型黑洞SgrA*,正准备吃掉一团敢于接近它的炽热的气体云。相比于直径4400万公里,相当于400万个太阳质量的黑洞SgrA*,这团气体云只有三个地球的质量,相当于一道小菜而已,但这也正是天文学家们在关注银河系中心的40年里,梦寐以求观察黑洞如何“吃掉”接近它的天体的最好机会。

德国马克斯普朗克地外物理研究所(MaxPlanckInstituteforExtra-terrestrialPhysics)的天文学家斯特凡·吉莱森(StefanGillessen)持续观测银河系的中心已经有20年时间,此前他只见过有两个小行星比目前的气体云更加接近SgrA*。这团被SgrA*的引力所引导,走上死亡之路的气体云,经历了一段漫长的加速旅程。在2004年,它的速度只有大约每秒1000公里,而到了2012年,它奔向黑洞的速度已经达到大约每秒2400公里,它将逐渐被SgrA*的强大引力所撕裂和吞没,这整个SgrA*的进食过程,将延续大约一年时间,而最高潮将会出现在2013年9月份。随着越来越接近黑洞,这团气体云的温度逐渐升高,继而发射出强烈的X射线,在地球上通过大型望远镜就可以观测到,这将是地球上的天文学家了解银河系中心黑洞的绝好机会。

超大型黑洞的质量会以怎样的方式增长?坐落在各个大星系中心的超大型黑洞,会不会永久、毫无节制地扩张下去,最终吞噬掉整个星系?SgrA*给了天文学家们一个机会研究这个问题。虽然地球距离SgrA*超大型黑洞有3万光年的距离,在地球上的人们还不用担心会在短时间内被它所吞没,但SgrA*已经是距离地球最近的超大型黑洞,其他相似类型的黑洞都处于其他大型星系的中心,与地球的距离都是地球和SgrA*距离的上百倍。研究SgrA*的演化史,对于研究银河系和其他大型星系的演化史极为重要。

研究超大型黑洞的质量变化过程,天文学家最近对这个问题的研究有了新的进展。2013年8月14日,来自德国马克斯普朗克射电天文学研究所(MaxPlanckInstituteforRadioAstronomy)的天文学家们在《自然》杂志上发表论文《在银河系中心的超重黑洞周围围绕着强磁场》(AStrongMagneticFieldAroundtheSupermassiveBlackHoleattheCentreoftheGalaxy),讨论最新发现的围绕在SgrA*超大型黑洞周围的磁场强度以及它对于黑洞吞食周围天体所带来的影响。

艺术家描绘的SagittariusA*黑洞周围的小行星

在SgrA*超大型黑洞的周围,存在着一个围绕着它的磁场,要想探测一个距离地球3万光年远的磁场的来源和强度并不容易,而在不久前,天文学家们通过美国航空航天局的NuSTAR望远镜在SgrA*的附近发现了一个脉冲星,这个在银河系中心的脉冲星相当于一个精准的宇宙钟表,以3.76秒的固定频率发射脉冲,天文学家们可以通过它来探测它周围时空的性质。

马克斯普朗克射电天文学研究所的天文学家们迅速跟进,他们通过Effelsberg天文望远镜对准了银河系的中心,在第二次探测的时候就惊喜地发现了这颗明亮的脉冲星,并且开始了对它的持续观测。因为这颗脉冲星的特殊地位,天文学家们甚至谨慎地花了很多时间证明他们观测到的是一个真正的在银河系中心的天体而不是某一个干扰信号。

这颗最近发现的被命名为PSRJ1745-2900的脉冲星,属于一类比较特殊的脉冲星,也被称为“磁星”,顾名思义它具有极强的磁场,它的磁场强度是地球磁场的100兆倍。通过这颗特殊的脉冲星,天文学家就可以探测在SgrA*超大型黑洞周围的磁场。实际上,在SgrA*超大型黑洞周围的气体云的特性决定了黑洞增长的速度,其中气体云所产生的磁场的性质正是其中最为关键的部分。
天文学家们通过探测了解到,在SgrA*超大型黑洞周围的气体云中,一些被电离的气体产生了强烈的磁场,这个超强磁场阻挡或是减缓了很多黑洞周围的物质被黑洞吸引和吞没,“相比于其他星系中心的黑洞,SgrA*显得非常饥饿”。

PSRJ1745-2900脉冲星的发现,使得科学家们对于银河系中心黑洞有了更深的了解,但是要想探测黑洞周围时空更加精确的性质,进而检验广义相对论,这颗脉冲星和它的距离还不够近,天文学家们还需要找到另外一个更加接近黑洞、频率也更加固定的脉冲星作为参考。

(本文参考了美国航空航天局网站和马克斯普朗克研究所网站的相关内容)

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