黑洞照相機，給「天籟」拍「抖音」
■本報實習生 池涵 記者 李晨
科學界對於黑洞行為一直有一個爭論：光子從黑洞的冕傳播到吸積盤所需要的時間縮短，究竟是由於冕的收縮，還是吸積盤的內半徑變小？
近日，一個由美國科學家領導的國際研究團隊在英國《自然》雜誌上發表了一篇關於黑洞行為最新觀測結果的文章。研究者採用放置在空間站上的中子星內部組成探測器（NICER），觀測了MAXI J1820+070黑洞吸積伴星暫現源。
太陽大小的恆星與超大質量恆星的生命循環
這次觀測對上述爭論給出了一個合理的解釋。這讓科學界很興奮，這篇論文也因此成為《自然》雜誌封面文章。
能夠作出這一發現，科學家依靠的是高精度的觀測設備。或許有一天，我們也可以用高精度「照相機」給黑洞拍個「抖音」。
拍攝黑洞的「快手」
黑洞在吸積過程中會產生兩個X射線信號，先有一個來自黑洞冕的硬X射線信號（即高頻信號），第一個信號傳播到吸積盤後會產生另一個軟X射線信號（即低頻信號）。光子從冕傳播到吸積盤需要時間，所以有時間延遲。
中國科學技術大學天文學系特任副研究員蔣凝告訴《中國科學報》，前述最新成果發現，MAXI J1820+070在X射線耀發後的時間延遲僅為之前的1/6至1/20，由於黑洞的外部結構中只有冕和吸積盤兩個單元，因此對這種時延縮短有兩種可能的解釋。
一種解釋認為，是吸積盤的內半徑變小了，也就是被截斷了；另一種解釋則是冕收縮到離吸積盤更近。科學家推測，如果前一種解釋是正確的，由於引力紅移效應，會導致能譜上Fe K線的輪廓發生變化。藉助本次觀測中同時擁有高時間精度和高能譜解析度的「利器」NICER，研究人員發現Fe K線的輪廓基本保持不變，因此剩下的就是後一種解釋了，即導致時延縮短的原因是冕的收縮。
能夠獲得如此精確的觀測結果並推導出這一重要的科學結論，依靠的是兩個安裝在國際空間站上的「勞模」——全天X射線監測相機（MAXI）和中子星內部組成探測器（NICER）。2018年3月11日，MAXI發現在獅子座方向距離我們大約1萬光年的位置有一個X射線耀發，NICER隨即開始監測這個事件。
公開資料顯示，NICER是NASA為研究中子星異常引力、電磁和核物理環境而開發的一款設備，於2017年6月3日部署至國際空間站。
蔣凝介紹道，與此前的類似設備，如X射線多鏡片任務衛星XMM-Newton相比，NICER最大的優勢就是時間解析度極高，達到100納秒，比之前NASA最好的計時設備羅西X射線計時探測器要快25倍。
「X射線衛星盡量要做到一個一個地記錄光子，因此需要很高的時間解析度，否則在同一個計時區間內有幾個光子到達，我們就無法知道每個光子的能量。MAXI J1820+070每秒差不多有25000個能量0.2~12千電子伏的光子到達NICER，正因為有超快的計時，才能區分開一個個光子。相比之下，XMM-Newton在每秒接收600~800個光子的時候就有光子『堆積效應』。不僅如此，NICER在軟X射線波段的有效能譜面積也是最高的，是XMM-Newton衛星的兩倍。」蔣凝說，NICER在具備快速計時和大有效能譜面積的同時還能提供精良的能譜解析度（6千電子伏時為145電子伏）。
引力透鏡原理
正是得利於這樣優越的天賦，NICER才能用來幫助科學家捕捉黑洞邊緣的一些微弱信息。
逃離黑洞的信息
黑洞是廣義相對論預言的一類非常獨特的時空結構。它在我們觀測的宇宙中主要有兩類存在形式，一種是100倍太陽質量以下的恆星級黑洞，它們是大質量恆星演化到晚期死亡的產物。
另一類是100萬倍太陽質量以上的超大質量黑洞，它們位於星系的中心。蔣凝告訴《中國科學報》，超大質量黑洞的物理起源並不明確，最早是上世紀60年代為了解釋類星體巨大的能量輸出而被提出的，後來被近鄰宇宙的恆星或者氣體動力學研究所證實。
「此外，還有一些極亮X射線源可能是100倍至幾十萬倍太陽質量的中等質量黑洞。」中科院國家天文台研究員、中國科學院大學教授、國家天文台恆星級黑洞研究創新小組負責人、基普·索恩天文學通識著作《星際穿越》譯者之一苟利軍告訴《中國科學報》。
超大質量黑洞的形成和增長是目前的一個熱點問題。當這些超大質量黑洞劇烈吸積物質的時候，會將物質的引力勢能轉化為輻射釋放出來，表現為活動星系核（簡稱AGN）。
有意思的是，世紀之交，人們發現超大質量黑洞的質量與它們所寄居的星系的性質緊密相關，強烈暗示它們是共同成長與演化的。
有人可能會問，黑洞不是光都無法逃逸的嗎？為什麼我們還可以觀察到一些黑洞的信息？
實際上，黑洞的結構包括視界面以內的自身部分，以及冕和吸積盤等外部結構。「如果光進入視界面，確實就無法逃脫黑洞的魔爪。」蔣凝說道，「但是在物質還沒進入到視界面之前，我們仍然可以看到被黑洞吸積的物質落向黑洞的過程中的輻射。由於具有角動量，物質並不會徑直掉到黑洞里，而是沿螺旋線轉著飛進去，這樣就形成了一個吸積盤。」
不同的情況下，吸積盤的形式有區別。蔣凝介紹：「類星體的吸積被認為是標準薄盤。而我們銀河系中心的黑洞的吸積率比較低，大家猜測它是一個徑移主導吸積盤。」
黑洞的吸積過程能產生多波段的光子，甚至可以說幾乎能釋放全波段的輻射，從X射線、紫外、光學、紅外到射電都有。
「其中X射線光子根據能量高低分成硬X射線和軟X射線，它們在黑洞吸積的物理過程中主要產生的區域和機制是不同的。軟X射線一般認為來自吸積盤的熱輻射，而硬X射線來自吸積盤的軟光子打到盤上面的冕，經過逆康普頓散射到更高能量產生的。」蔣凝告訴《中國科學報》。
黑洞模擬圖
除了黑洞輻射以外，某些活動星系核或類星體中心，在吸積盤磁場的作用下，可能會產生長度達幾千甚至數十萬光年的等離子體噴流。如果噴流的方向恰巧和黑洞與地球的連線一致，也可以觀測到受相對論影響下的噴流的明亮改變。
黑洞捕手
那麼，有哪些觀測手段可以用來探尋上面的黑洞線索呢？
由於黑洞吸積過程產生的輻射是多波段的，因此對它的研究也是多種多樣的。
記者從蔣凝處了解到，雖然恆星級黑洞最早是通過X射線發現的，但是作為類星體中心引擎的超大質量黑洞其實最早是在射電波段發現的，因此射電天文望遠鏡也是研究黑洞的常用手段，比如黑洞視界面望遠鏡。
除此之外，我們最熟悉的地面光學望遠鏡等更是可以對黑洞進行常規的發現和研究，比如美國的斯隆數字巡天項目（SDSS）就發現了成千上萬的類星體。
說到黑洞觀測，就不得不談視界面望遠鏡EHT，這是一個由12個國家30多所大學和天文台站參與的國際聯合項目，通過以甚長基線干涉技術VLBI聯合全球的8台射電望遠鏡形成一口徑等效於地球直徑的虛擬望遠鏡，進行超高空間解析度的射電成像來探測銀河系中心的黑洞視界面。
視界面望遠鏡的觀測目標為超大質量黑洞人馬座A*和M87星系中央的超大質量黑洞。2017年4月，視界面望遠鏡首次連線觀測人馬座A*。
視界面望遠鏡計劃的提出使得人類第一次有機會直接給黑洞拍一張能分辨的照片。黑洞是否真實存在？視界面、吸積盤和冕上的細節是怎樣的？諸如此類的問題終於有了正面回答的機會。
近年來，隨著自主天文儀器的巨大進步，我國在黑洞觀測領域也逐漸步入國際舞台。蔣凝談到，我國早期黑洞研究偏向於理論方面，比如吸積盤理論等。現在，一些前沿設備正在積极參与黑洞觀測。比如2017年上天的硬X射線調製望遠鏡（HXMT，又稱慧眼衛星），就用來捕捉類似MAXI J1820+070這樣的X射線耀發事件。
慧眼衛星，是中國第一顆大型空間X射線探測天文衛星。它既可以實現寬譜段、高靈敏度、高解析度宇宙X射線巡天、定點和小天區觀測的空間X射線天文觀測，同時也具有高靈敏度的伽馬射線暴全天監視儀。其命名涵義之一是為了紀念推動中國高能天體物理髮展的已故科學家何澤慧。
黑洞冕X 射線耀發示意圖 圖片來源：NASA，STScI
2017年6月15日，HXMT衛星發射成功，開展科學觀測。2018年1月30日，中國首顆X射線天文衛星「慧眼」正式交付，投入使用。在軌一年多來，「慧眼」已經探測到伽馬暴、兩個太陽大小的中子星合併引起的引力波事件等多個天文事件，取得了豐富的成果。
另外，中科院「十三五」先導專項衛星愛因斯坦探針（EP）著眼於軟X射線波段，預計將於2022年前後上天。蔣凝介紹道，這個衛星特別適合捕捉黑洞潮汐摧毀并吞噬恆星產生的X射線暫現爆。
苟利軍認為，包括黑洞內部的結構、奇點、對黑洞樣貌的直接觀測等，都是黑洞研究的當前熱點問題。另外，理論上銀河系內的黑洞應該有上億個，但是目前只找到了上百個，大多數黑洞在什麼地方也是困擾人們的問題。
隨著越來越多的高精度先進觀測設備的服役，一個又一個黑洞相關的科研問題將在科學家面前揭開謎底。
相關論文信息：DOI：10.1038/s41586-018-0803-x
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