“我无法做一颗安安静静的黑洞”
2019-09-19 15:18

“我无法做一颗安安静静的黑洞”

本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687),作者:Zwicky,头图来自:东方IC


距离地球约2.6万光年之远的银河系中心,一直是天文学家最感兴趣的地方之一,那里蕴藏着许多的谜团。这是因为在银心,栖息着一个超大质量黑洞SgrA*——其质量是太阳的400万倍。天文学家相信,这个黑洞的一举一动,都与星系的演化有着莫大的关联。


天文学家相信,几乎在所有大型星系的中心都有一个超大质量黑洞,有一些非常活跃,例如M87星系中心的黑洞Powehi,在下图中可以清晰看到从M87星系中央朝两边喷射出的喷流:


 M87星系中心的超大质量黑洞。| 图片来源:NASA/JPL-Caltech/IPAC


相比之下,我们星系中的SgrA*要平静的多。但是SgrA*也可能时不时地变得活跃,在两项最新的研究中,天文学家向我们展示了SgrA*不平静的一面。


1.


9月12日,在一项发表于《自然》期刊的新研究中,天文学家使用了南非射电天文台的MeerKAT望远镜,在银河系的中心周围发现了两个“射电气泡”,与这两个气泡相比,那里的所有其他射电结构都显得相形见绌。这一特征很可能是几百万年前在SgrA*附近发生的异常高能爆发所导致的结果


MeerKAT射电望远镜由64个天线组成,分布在卡纳冯附近8公里的区域内,于2018年春季开始收集数据。MeerKAT有着空前的灵敏度和成像能力,加上它还处于观测银心的绝佳地理位置,因此它所捕捉到的银心射电图像是有史以来最清晰的。利用这些新的观测能力,科学家就能够拼凑出银河系中心和潜藏在那里的超大质量黑洞的历史。| 图片来源:SARAO/Oxford/NRAO


研究人员估计,几百万年前,一场涉及到巨大能量的事件将物质从黑洞周围的区域喷涌而出,其能量相当于约100颗恒星发生的爆炸。他们认为,在这种情况下产生的快速带电粒子与强磁场作用而被加速,产生了射电波气泡。MeerKAT看到的射电波穿透了浓密的尘埃云,这些云挡住了来自星系中心的可见光。


银河系中央部分的射电图像。一系列明亮的特征、爆炸的恒星和新恒星诞生的区域勾勒出了星系的平面。从银河系中心发射出的射电波气泡在星系平面上下延伸,许多磁化的丝状结构平行于气泡运行。| 图片来源:SARAO/Oxford/NRAO


论文的合著者之一William Cotton说:“我们所观测到的形状和对称性有力地表明了在几百万年前,在离我们星系中心黑洞很近的地方发生了一场威力惊人的事件。那次喷发事件可能是由于大量星际气体落入黑洞引起的,也可能是由恒星形成时产生的大规模爆发而引起的,这种爆发能使冲击波穿过星系中心。


实际上,这些膨胀的高能气泡位于银河系中心附近的高温电离气体中,为其提供能量,并产生我们最终可以在地球上探测到的射电波。”


射电气泡的发现或许还能解决射电天文学中的一个古老难题。1984年,天文学家发现了一些丝状结构,它们只在星系中心出现过。而在气泡内部加速的电子就有可能是这些明亮丝状结构的来源,它们的长度可以延伸到数十个秒差距。35年来,它们的起源一直没有得到明确的解释,但新研究将它们与射电气泡联系了起来。


2.


在另一篇刚发表的论文中,天文学家发现了SgrA*正在享用着一顿由星际气体和尘埃组成的大餐。天文学家Andrea Ghez说:“在我们研究超大质量黑洞的24年里,从未见过这样的情况。”


研究人员分析了自2003年以来,历经了133个夜晚对这一黑洞进行的13000多个观测结果。这些图像是由夏威夷的凯克天文台和智利的欧洲南方天文台的甚大望远镜收集的。


研究小组在5月13日发现,就在黑洞的事件视界(物质一旦越过这个边界就再也无法逃脱的边界)之外的区域,其亮度是第二亮的观测的两倍。


气体和尘埃在进入黑洞的过程中会加热并产生光。所以亮度的增加表明黑洞吞噬物质的速度可能比平常要快。黑洞自身也发生了迅速的变化:在达到亮度峰值后,光在短短两个小时内的亮度变成了原有的1/75,观测到的亮度是由落入黑洞的气体和尘埃所释放的辐射造成的。


他们还在今年的另外两个夜晚中观测到了巨大的变化,这三次变化都是前所未有的。正如上文提到的,SgrA*通常是一个安静的黑洞,因此到底是什么推动了这场饕餮盛宴,天文学家还不得而知。


有一个解释认为,有一颗名为S0-2的恒星在2018年夏天最接近黑洞,释放出了大量气体,然后于今年抵达了黑洞。另一种可能性涉及到一个名为G2的奇异天体,它很可能是一对双星,在2014年时最靠近黑洞。G2的外层可能已经被黑洞剥离,这或许可以解释黑洞外的亮度增加。还有一种可能是,亮度与被吸进黑洞的大型小行星的消亡相对应。


一颗名为S0-2的恒星围绕着银河系中心的超大质量黑洞运行。它没有落入黑洞的魔爪,但它的接近可能是黑洞胃口变好的原因之一。| 图片来源:Nicolle Fuller/National Science Foundation


论文的第一作者Tuan Do说:“那晚我看到的第一张图像中,黑洞非常明亮,我一开始把它误认为是恒星S0-2,因为我从未见过如此明亮的人马座A*。但很快我就意识到这一定是黑洞,这是非常令人兴奋的。”


这一结果使研究人员提出疑问,这究竟是一次非同寻常的特殊事件,还是黑洞开始要变得活跃的前兆。研究小组还在继续观察这一区域,并将根据他们从新图像中看到的情况来解决这个问题。


参考来源:

https://www.sciencenews.org/article/radio-wave-bubbles-milky-way-black-hole

https://phys.org/news/2019-09-black-hole-center-galaxy-hungrier.html

https://www.nature.com/articles/d41586-019-02726-x

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1532-5

http://www.ox.ac.uk/news/2019-09-11-towering-balloon-features-discovered-near-centre-milky-way


本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687),作者:Zwicky

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