银河系中心的黑暗秘密:超大质量黑洞人马座A*(Sgr A*)

2020年诺贝尔物理奖由3位研究黑洞的物理学家获得殊荣,数学物理学家Roger Penrose在1960年代证明质量极大的天体在历经重力坍缩时,奇点与黑洞的产生是不能避免的;自1990年代起,长期观测银河系中心恒星运动的两位天文物理学家Andrea Ghez 和Reinhard Genzel,则发现银河系中心存在约有四百万个太阳质量的的致密天体,而超大质量黑洞是最自然合理的解释。那么,我们目前对银河系中心的超大质量黑洞有哪些认识呢?

我们的银河系中心区域是个活跃的场所,除了浓密的分子云与星团聚集之外,还居住了一个约有四百万个太阳质量的黑洞。这个超大质量黑洞经由重力对周围的影响范围(sphere of influence)约是黑洞本身大小的百万倍,黑洞能在这区域中用重力束缚物体的运动,并能影响经过这区域的物体。天文物理学家就是根据仅有黑洞才能造成的特殊效应,推论出银河系中心有个超大质量黑洞。天文学家发现,几乎每个星系的中央都存在着超大质量黑洞(具有数百万到数十亿个太阳质量),而我们银河系中心的黑洞是离我们最近的超大质量黑洞(注1)。

放眼望去,离地球约2万6000光年的银河系黑洞所能造成的影响范围在天空中约是一个角秒(1角秒= 1/3600角度)。从以下图1来看¹,天文学家经由长年观测在此范围内的天体运动,发现这些恒星们的轨道都有共同的焦点,这意味着有个相当大质量的天体用重力约束这些恒星的运动。这些恒星中尤其重要的是一个称为S0-2的恒星,其轨道半径最接近于银河系中心,因此可以推断此天体至少必须比S0-2的轨道半径小。一个超大质量黑洞是最能符合此两项要求的「合理」解释。自1990年代起,利用先进方法长期观测银河系中心恒星运动的两位天文物理学家美国加州大学洛杉矶分校的Andrea Ghez和德国马克斯-普朗克地外物理研究所与美国加州大学柏克莱分校的Reinhard Genzel,也荣获2020年诺贝尔物理奖(各占1/4)的殊荣。
▲图1:恒星们绕行银河系中心的轨迹显示出银河系中心有个超大质量黑洞。
▲图1:恒星们绕行银河系中心的轨迹显示出银河系中心有个超大质量黑洞。其中S0-2在最接近银河系中心时仅仅只有17光时(光走一小时的距离)。此图大小为1角秒x 1角秒,为2020年诺贝尔物理奖得主Prof. Andrea Ghez率领的研究团队在红外线波段的长期观测成果。

黑洞是个非常致密的天体,根据广义相对论,其所有的质量都聚集在一个体积几乎为零的小空间内。这个奇怪的时空结构称为黑洞的奇点(singularity)。数学物理学家Roger Penrose在1960年代证明质量极大的天体在历经重力坍缩时,奇点的产生是不能避免的,也因此荣获2020年诺贝尔物理奖(占1/2)的殊荣。奇点的外部被一个称为事件视界(event horizo​​n)的时空结构所包围,在事件视界内,即使是试着向外逃逸的光也只能因为黑洞造成的时空弯曲而朝向奇点前进,因此我们对黑洞的所有观测资讯都止步于事件视界外部。

尽管如此,在事件视界外部,我们可以藉由围绕着黑洞的高温高速旋转气体所发出的电磁辐射,得知许多黑洞周围环境的资讯。天文学家认为位于人马座(Sagittarius)的无线电波源Sagittarius A*(简称Sgr A*),就是我们银河系中心的黑洞。这些环绕黑洞旋转的气体,最终藉由逐渐损失角动量(也就是越转越慢)而掉入黑洞,称为黑洞的吸积(accretion)过程。过程中被吸积气体能释放出可观的辐射能量。当被吸积气体足够多的时候,质量越大的黑洞越有能力制造越多的辐射。观测发现Sgr A*所发出的辐射能量远小于同样质量的黑洞所能制造的能量,说明了银河系中心黑洞的吸积流(accretion flow)并不多,而此黑洞吸积系统处于低吸积率(low accretion rate)的状态。

Sgr A*的观测光谱如图2所示²,自1970年代开始发展的各类型黑洞吸积流理论已经可以帮助天文学家对黑洞吸积系统的辐射特性有很好地理解。此外,喷流(jet)结构也能偶尔在其他黑洞吸积系统观测到,这些在掉入星系中央的超大质量黑洞前成功向外逃出的喷流物质,甚至能产生比星系本身尺度(数千到数十万光年)还要大的结构。仅管目前观测上人马座A*(Sgr A*)没有明显的大尺度喷流,但尚不清楚人马座A*(Sgr A*)是否有极弱的喷流结构,或是过去曾经有过喷流产生。黑洞吸积流与喷流皆是带有磁场的磁流体,其局部活动与辐射释放也能造成在不同波段的复杂的亮度变化(variability)或是闪焰(flare)。

▲图2:银河系中心超大质量黑洞Sgr A*的观测数据。
▲图2:银河系中心超大质量黑洞Sgr A*的观测数据。黑洞的吸积流理论(线条部分)能大致符合Sgr A*的光谱特性。当逐渐提高在无线电波段观测频率时(如光谱上标示的(a)-(e)所示),因为吸积流的辐射机制而能观测到越来越靠近银河系中心超大质量黑洞的区域(如左方及上方电波观测分析后的影像所示)。预计观测波长约在1mm时,将有机会观测到来自黑洞事件视界周围的辐射,可以进一步分析推论出真实的黑洞影像,如右上方的黑洞影像模拟图所示。左方及上方图中的比例尺单位为mas=10⁻³角秒、μas=10⁻⁶角秒。

图2中,吸积流中高速电子绕着磁场运动产生的同步辐射(synchrotron emission,接近光速的带电粒子在电磁场中偏转时,沿运动的切线方向发出的电磁辐射)是在无线电波段主要的辐射来源。当天文学家在无线电波段试着观测银河系中心黑洞的吸积流结构时,随着观测频率的不同,吸积流也有不同的不透明度(opacity)。随着观测频率增加,这些吸积流越显透明,因而能观测到更接近银河系中心黑洞的区域,且人马座A*(Sgr A*)的尺寸显得更小(见图2(a)-(e))。

位于我们银河系中心的超大质量黑洞除了观测频率的效应之外,还需考虑从地球观测银河系中心黑洞时,由于银河系盘面的电子不均匀分布所造成的散射效应。当观测频率够高,解析度够好,天体也足够明亮时,我们将能目睹银河系中心黑洞—我们银河系家园里的迷人巨兽—的神秘身影(见图2所示的黑洞影像模拟)。

注1:根据质量来区分,还有恒星级质量的黑洞(具有数个到数百个太阳质量),是由质量比较大的恒星演化到最后所产生的黑洞,这种黑洞则可能散布在星系的不同部分。恒星级质量的黑洞可能有个互相绕行的伴星,并因为彼此的交互作用而被观测到。

微信扫码关注公众号获取最新消息

原创文章,作者:108黑科技,如若转载,请联系我们:thinkou@126.com 并注明出处:https://www.108hei.com/archives/1975

微信公众号