天文學家發現宇宙巨怪巨型黑洞：食量相當於兩天吃一個太陽

作者系網易新聞·網易號「各有態度」簽約作者

澳大利亞國立大學的天文學家們已經發現了宇宙中已知增長最迅速的黑洞，它們將其形容為一個巨大的怪獸，其食量大約是每兩天吃掉一個太陽質量的天體。

這個極其巨大的黑洞十分古老，它處於宇宙的早期黑暗時代，距今約有120億年，據估計，它的大小達到了200億倍的太陽質量。澳大利亞國立大學天文與天體物理學研究學院的Wolf博士說：「這個黑洞增長得如此之快，以至於它發出的光芒比整個星系還要亮幾千倍。因為它每天都要吸入大量的氣體，在此過程中產生巨大的摩擦力和熱量。」

圖：計算機模擬的特大質量黑洞。Credit: NASA, ESA, and D. Coe, J. Anderson, and R. van der Marel (STScI) [link]

可能很多聽說過黑洞的人都會產生這樣的疑問：不是說黑洞的引力極其巨大，是光都無法逃逸的牢籠嗎？既然如此，黑洞為什麼又會「發出」光芒呢？簡單地說，引力導致了所有物質之間的普遍吸引。這種情況產生的一個可能結果就是吸積（accretion）——吸積是一個天體物理學的術語，描述的是一個巨大質量的中心天體從其直接鄰域攝取（accrete）物質的過程。吸積會使中心天體的質量變得更大，從而更好地從其周圍攝取物質。對於黑洞來說，一旦它吸積其附近的物質，就會將周圍的環境變成宇宙中最亮和最壯觀的區域。

正在吸積的黑洞外部，有一個非常壯麗的、高溫的盤狀物，天文學家稱之為吸積盤（Accretion Disk），它是一個由星際物質組成的盤狀結構，盤內的物質逐漸螺旋下落，最終被吸積到黑洞中。吸積盤位於黑洞的視界之外。重力使盤中的物質沿螺旋線向黑洞中運動；不同的角速度使物質進行角差轉動。隨著這些物質不斷向黑洞中心的方向進行旋轉運動，粒子之間相互摩擦、碰撞，放射出X射線。吸積盤從何而來？美國著名天體物理學家基普·索恩在他的科普著作《星際穿越》中做出了如下簡單的介紹：

「恆星偶爾會來到離類星體的黑洞非常近的地方。此時，黑洞的潮汐力會撕裂恆星。被撕裂恆星的氣體很多被黑洞捕獲，形成了吸積盤，但也有一些逃逸。」

當物質向黑洞中心運行時，在引力的影響下，會擁有越來越快的速度，獲得越來越多的動能。可是一旦落入物的粒子跳入吸積盤中後，該粒子的運動就會受到干擾。在吸積盤中，由於所有粒子間的經常性碰撞，這些粒子並不存在可以很好定義的簡單的軌道。相反的，所有的粒子都處於無序運動中，這種無序運動包含渦流和不穩定性——就像在湍流中一樣——而這種運動在吸積盤中則是非常常見的。根據物理學的定義，無序的微觀粒子運動是熱運動，並且因此直接與溫度相關。隨著粒子運動變得無序和混亂，吸積盤中的物質就被加熱到非常高的溫度。在100倍太陽質量的特大質量黑洞外圍的吸積盤中，最高溫度約為100萬開爾文；而對於恆星質量黑洞周圍的吸積盤，其最高溫度可以達到前者的100倍。相比之下，太陽中心的溫度約為1500萬開爾文。在物理學中，只要有熱量，就會有熱電磁輻射。隨著溫度增加，以輻射的形式發射的能量也增加。黑洞周圍吸積盤的溫度足夠得高，使得吸積盤中的物質放射出大量的高能X射線。實際上，黑洞吸積盤產生輻射的效率比核聚變的效率大約高30倍。

以上簡單介紹了為什麼那些正在「進食」（吸積）的黑洞會發出巨大的光芒——達到比整個星系還要亮幾千倍程度。

那麼現在回到天文學家最新發現的200億倍太陽質量的特大黑洞上來，讓我們一同想像一下它的狀態。Wolf博士介紹到：「If we had this monster sitting at the centre of our Milky Way galaxy, it would appear 10 times brighter than a full moon.」（如果這個宇宙巨怪位於我們銀河系的中心，那麼它看起來就會比一輪滿月還要亮10倍。）「Again, if this monster was at the centre of the Milky Way it would likely make life on Earth impossible with the huge amounts of x-rays emanating from it, 」（此外，如果這個巨怪位於銀河系中心，那麼由於它放射出的大量X射線，地球上可能就不會產生生命了。）據悉，這個巨大的黑洞所釋放的能量大部分是紫外線，但也有大量x射線。

相關論文可點擊下列鏈接閱讀：

https://arxiv.org/abs/1805.04317

參考資料：

https://www.sciencedaily.com/releases/2018/05/180516105218.htm 等

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