在國際空間站直擊黑洞「吃星星」:黑洞的光冕收縮了
在科幻電影《星際穿越》中,男主角進入黑洞後並未被引力撕碎,而是來到了一個奇蹟的高維空間。黑洞吃進物體後會發生什麼?人類現有的科學水平尚不能完全回答這個問題,只能從黑洞吃星星時「打嗝」出的光波略窺一二。
北京時間1月10日凌晨,世界頂級學術期刊、英國《自然》雜誌(Nature)的封面論文,即講述了對一次黑洞吃星星過程的觀測研究,在宇宙學上稱為「黑洞瞬變」事件。
死亡共舞
黑洞作為一類極端天體,是恆星們的其中一種特殊歸宿。隨著恆星核聚變的燃料殆盡,質量小一些的內部坍塌成白矮星,質量大一些的則會坍塌成中子星或黑洞。
根據愛因斯坦引力場方程的計算,如果大量物質集中於空間一點,奇點周圍會形成時空扭曲的「視界」,一旦進入這個界面,連光子也無法逃逸,故而稱為「黑洞」。
黑洞本身雖無光,但大量彌散物質被吸附在黑洞周圍轉動,形成一個發光的盤狀結構。一旦天體進入吸積盤的範圍,就開始被黑洞吞噬。
而沿著這個「吸積盤」中軸線的上下兩端上,科學家們還發現了神秘的黑洞「光冕」,與太陽的「日冕」相似,是一團緻密的超高溫等離子體。
《自然》封面論文
正如封面圖片所描繪的,黑洞吞噬恆星的過程以「雙星共舞」的形式展開。恆星或白矮星圍繞著黑洞旋轉,物質不斷被吸收,釋放出巨大的引力波和能量,高速等離子噴流從黑洞中逃逸而出,形成明亮的光柱。
也就是說,黑洞雖然如饕餮般吞食一切,卻不能吃得乾乾淨淨,總是「打嗝」,給天文學家留下可以研究的線索。
「黑洞」中的水滴聲
2018年3月6日,位於智利安第斯山脈托洛洛山頂的兩台「全天自動超新星搜索項目」望遠鏡捕收穫了一個編號為ASASSN-18ey的光學信號。5天後,國際空間站上搭載的全天X射線圖像監視器(MAXI)捕捉到了一個編號為MAXI J1820+070的X射線源。兩相比對後,天文學家們初步確定這兩個信號來自同一個正在吞噬天體的黑洞,形成一個黑洞雙系統。
值得一提的是,該信號源十分明亮,約在3260光年之外,這已經是目前人類發現的黑洞雙系統中距離地球最近的。
消息公開後,世界範圍內十數台地面望遠鏡和空間設備瞄準信號源,接收分析不同頻段的數據。其中就包括同樣位於國際空間站上的中子星內部組成探測器(NICER)。該載荷針對中子星周圍的極端引力、電磁場和核物理學設計,專門探測極端高密度和高壓下的奇妙物質狀態,因而也適用於黑洞的觀測。
為了理解探測器的工作方式,你可以想像一個「漆黑的山洞」中的水滴。你先聽到水滴聲,再聽到水滴聲反彈到洞壁上的回聲。水滴聲和回聲間的間隔越長,山洞的大小就越大。
對於黑洞而言,「水滴聲」就是從光冕中射出的X射線光子,而「回聲」就是光冕與吸積盤內緣相互作用後二次射出的X射線光子。
黑洞「吃星星」後吸積盤和光冕發生的變化
探測器由52對X射線收集器組成,可以記錄單個X涉嫌光子抵達的時間和能量,時間解析度達到100納秒以內,比美國國家航空航天局(NASA)的上一代最精確的X射線計時器快上25倍。
正因如此,這個美、英、荷、日聯合團隊才能夠捕捉到黑洞瞬變過程中X射線光譜的微妙變化:在吃下星星後,黑洞的吸積盤大小保持得相當穩定,光冕的尺寸卻收縮了。
這與此前預測的一種「吸積盤截斷模型「相左。此前,一些科學家們推測黑洞吃星星時吸積盤旋轉速度變快,從而收縮。如今,高精度的X射線探測器描述了不同的圖景。不過,為了排除個例的特殊性,這種新的描述模型尚需更多的案例檢驗。
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