黑洞如何“进食”?炙热气体高速旋转坠入,无法逃脱

“饥饿”的黑洞告诉我们:它质量大的难以想象!

黑洞的“一顿午餐”暴露了它的巨大质量。

来自一位艺术家的黑洞概念图,它被吸积盘环绕着。这个圆盘中的气体被加热到数百万摄氏度并向外发出X射线辐射。(图片来源:美国宇航局/霍尼韦尔Max-O数字集团/达纳·贝瑞)

剑桥大学的一个天文学家团队,发现了一种现象:像是炙热气体在落入超大质量黑洞时的快速旋转。这些第一次观测到的画面,显示黑洞正在吞噬一个向内旋转的圆盘中的物质,有助于弄清楚这些饥饿的“深渊巨喉”的质量。

这个巨大的黑洞位于NGC3516星系的中心,NGC3516星系距离北斗七星约1亿光年远。被黑洞强大引力场吸入的物质,形成一个圆盘,并被加热到极端高温,使其在一个很宽频率范围内发光。

XMM-牛顿卫星观察到圆盘X射线突然变强。剑桥大学的安德鲁·法比安和他的同事们,将此解释为发生在黑洞附近的X射线耀斑。法比安说,X射线耀斑有点类似于太阳耀斑,但它释放的能量强度是太阳耀斑的10万亿倍。耀斑发出的光,激发了其附近吸积盘中的铁原子,使它们以特定的频率发射出一束光子。

法比安说:“这就好像一个盘子,被涂上了一点点亮漆。”

铁原子发出的光,随着时间的推移而变化,这意味着“被涂上亮漆”的气体,正环绕着一个非常大的物体运转。根据爱因斯坦广义相对论的计算表明,这个物体——黑洞——的质量在1000万到5000万太阳质量之间。

这一研究成果,与黑洞质量的其他估算结果一致,将发表在即将出版的《皇家天文学会月刊》上。

快速的四“年”

XMM-牛顿卫星观测持续了大约一天时间,记录到活跃气体的四周次旋转。暴露出来的旋转半径,与地球到太阳的距离相似,这促使法比安想象:如果自己处在旋转气体的边沿,看起来会是怎样?由于“一年”——即旋转一周,只需要七个小时,意味着这个圆盘在以光速十分之一的速度疯狂旋转。

如果真的处在旋转气体的边沿,法比安及其他观察者周围的天空,都将被黑洞覆盖,因为黑洞的宽度是太阳的40到200倍。这一切到底看起来什么样子,是很难被理解的,因为巨大的引力会以奇怪的方式使光线弯曲。

“这将是一个及其壮观的景象。”法比安说。

但这种惊叹很快就将结束。因为,法比安怀疑,在观测仅几天后,高亮的气体部分,就坠入了无情的黑洞。消亡的确切时间,取决于圆盘组成物质的粘度,以及黑洞本身是否在旋转。

图形识别

耀斑是这些超大质量黑洞周围常发生的现象。事实上,对NGC3516的观测是在三年前完成的,但最近对它的分析揭示了耀斑的秘密。主研究者岩泽和史制作了一幅X射线图,是从分析数据中绘出的一张锯齿状图形。

“眼睛很善于辨别图形,”法比安说。

研究人员注意到:受激发的铁原子,其频率发生了变化,他们将这种变化,归因于气体在旋转过程中,有时向我们靠近和有时又远离我们。这种频移被称为多普勒频移,类似于“牛吼器”的音高变化。——“牛吼器”,是一种传统乐器,手拿着线,在头边快速旋转甩动而发声。

除了多普勒频移之外,还有一个整体的频率偏移,因为光子从黑洞周围的引力场中逃出时,会损失一些能量。

可能是偶然

虽然锯齿形图案,符合黑洞周围气体旋转的理论推测预期,但仅通过四个旋转周期,很难给出最终的定论。

“我认为我们很幸运。因为我们处于可下判断的临界点,”法比安说。

研究人员又再进行了模拟实验,以确认他们看到的周期性变化,不是受到某些干扰后的随机偶然现象。法比安说,他和他的同事对这种现象的真实性表示乐观,但有一些天文学家对此仍持保留态度。

“人们的反应,从‘哇,真的是这样’到‘我对此不敢肯定’都有。”法比安说。

BY: Michael Schirber

FY: 椒椒

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