“薄盘材料”在黑洞周围旋转,黑洞增速比同星系恒星的形成更快?

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  作者:文/虞子期

  众所周知,宇宙中的超大质量黑洞并不是简单的生成,需要通过时间吞噬恒星和气体等物质而逐渐变大。在黑洞周围的物体、甚至是光,都会因为其巨大的引力而难以逃脱,并且,黑洞的中心是一个具有热量和密度无限大、体积无限小、时空曲率无限高等特性的奇点。跟黑洞探索相关的内容,也是我们所有人最感兴趣的天文领域之一。在哈勃太空望远镜对一个超大质量黑洞的探测过程中,科学家们发现“薄盘材料”在该黑洞周围旋转,黑洞增速比同星系恒星的形成更快?

  

  黑洞周围的磁盘和相对论测试

  在哈勃望远镜的图像中,星系的旋转旋臂被完整地显示出来:粉红色的星云、年轻的蓝色恒星,以及轮廓上的灰尘。而其中巨大的黑洞则潜伏在观螺旋星系NGC 3147的心脏周围,距离我们大约1.3亿光年,并且,有一个意想不到的“薄盘材料”在其周围旋转,而它的重量大约则达到了太阳质量的2.5亿倍。根据目前的天文学理论而言,这样接近黑洞地磁盘是不应该存在的。它和黑洞之间的距离很靠近,以至于光子的外观正在被高强度的引力和速度所影响。该薄薄的雾状材料并没有在圆盘中形成扁平的形状,反而是像甜甜圈一样膨胀。科学家们同样很疑惑,在NGC 3147中,为什么这个围绕着黑洞的薄圆盘,可以模仿极其活跃的星系中所发现的更强大的圆盘,而这些星盘中又充满了巨大的黑洞。

  我们知道,相对论存在广义和侠义之分,广义相对论将重力描述为空间曲率,而狭义相对论描述的则是时空之间的关系。然而,在可见光下,科学家们从未看到普通和狭义相对论的影响。因此,黑洞周围存在磁盘,又可以为爱因斯坦相对论的测试,提供一个难得的机会,爱因斯坦的两个相对论都通过哈勃对黑洞的观察进行了印证。黑洞强大的引力捕获了气体所散发出的光芒,呈现出在中心周围旋转的红黄色特征,绿色网格所显示的则是黑洞嵌入其引力场的深处,光线难以从强大的引力场中逃脱,这便是爱因斯坦广义相对论中所描述的一个原理;与此同时,在黑洞周围,材料也在快速活动,当磁盘的一侧接近地球变时亮、移开时变暗。爱因斯坦的狭义相对论,便预测了这种被称为相对论性束缚的效应。

  

  宇宙黑洞被X射线斑点旋转穿过

  在宇宙空间里旋转的黑洞,会和我们看到的大海一样,在自己的周围形成一个旋转的洪流/漩涡。它们之间的区别在于,黑洞所产生的漩涡与水或风都是无关的。并且,黑洞所产生的尘埃盘和气体会被加热到数亿度,并且,在X射线下的它们会散发出自己的光芒。科学家们通过技术实现了对五个超大质量黑洞旋转情况的探测,利用引力透镜这种自然现象发现,其中一个宇宙漩涡中的物质围绕其黑洞旋转的速度特别快,甚至超越了光速的70%左右。而后,在其周围拖动空间,旋转的黑洞会表现出一些特性。

  研究人员便是利用这一点,使物质绕黑洞的轨道移动到了非旋转黑洞的轨道上。其实,像紧密轨道这样较小的发射区域,往往也意味着旋转速度更快的黑洞。科学家们通过微透镜分析得出,当X射线来自如此小的区域,那么黑洞必须快速旋转。相当于事件视界黑洞的不归点,会以每小时6.7亿英里左右进行光速旋转。那么,为何这些黑洞旋转的速度如此之快?科学家们认为,这些超大的质量黑洞,并不是随机地从某个方向上积累大部分材料进行增长,而是经过数十亿年的时间,从一个相似的旋转方向旋转的吸积盘,就好比旋转木马被推向同一个方向一样。

  

  银河系中心附近的数千个黑洞

  在银河系中心附近,科学家们通过钱德拉X射线天文台发现了数千个黑洞存在的证据,它们就位于射手座A *(Sgr A *)的超大质量黑洞的三个光年内。这些多达20000个恒星质量的黑洞在Sgr A *周围漂移和聚集,也是对星系中恒星动力学理论的论证。虽然黑洞本身是不可见的,但科学家们却可以通过X射线双星来观察,材料在消失进入黑洞之前,会产生X射线,其中一些X射线双星里的钱德拉图像,看上去会有一些像点状源。

  科学家们研究了Sgr A *附近黑洞的X射线双星数据,这些X射线光谱包含了它大约12光年以内的光源,并观察了在不同能量的情况下所看到的X射线量。最终得出,在其附近地大约有十多个X射线双星中会有黑洞存在。在多年的时间尺度上,它们所显示的变化量和其中含有中子星的X射线双星,出现了与预期值不一致的情况。了解这样典型的星系中心地黑洞数量,对预测可能与它们相关的引力波事件数量会有很大帮助,也可以为未来的引力波研究提供了重要信息。

  

  黑洞增速比同星系恒星的形成更快

  科学家们为了研究距离地球43-122亿光年的星系中黑洞的增长率,便收集了很多相关数据,其中包括星系中恒星的形成数据,以及超大质量黑洞在其中心的生长数据,通过研究表明,在它们的宿主星系中,那些存在的恒星和黑洞存在相互串联的关系,并且,在大质量的星系中,黑洞增长的速度会远比质量较小的星系快,而宇宙中质量最大的黑洞,它的增长速度也会比同星系中其他恒星的形成速度更快。那又是什么原因导致了这样的现象发生?或许是因为在向中央超大质量黑洞供应冷气体这个方面,大质量的星系会比在质量较小星系中的黑洞中更为有效吧,这也是目前较为合理的解释。

  与此同时,科学家们在研究了距离地球最远约35亿光年、位于星系团中心的72个星系之后,有证据表明质量最大的黑洞的增长速度,已经远远超过其宿主星系中的恒星。通过估算这些星系团中的黑洞所具有的质量,可以将X射线和与黑洞相关的无线电发射联系到一起,而这样估算出的黑洞质量会达到另外一种质量估算法的10倍。科学家们将这种达到太阳质量100亿倍以上的黑洞,都称为超大质量黑洞。正因为黑洞本身就是一种极端存在的物体,所有在它们中最极端的例子,也会打破我们认为它们应该遵守的规则吧。

  

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