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我们能看到银河系中心的超大质量黑洞吗?

在天文物理史上有一个激动人心的发现就是,天文学家意识到宇宙中不仅仅只存在恒星级黑洞——由恒星在演化晚期坍缩而成,还存在着巨大的黑洞怪兽——超大质量黑洞。这些黑洞怪兽的质量约为太阳的百万甚至是数十亿倍,一般存在于星系中央,比如银河系的中心就有一个。

△ 黑洞的构造:中间的一点是奇点(Singularity),一旦越过了事件视界(Event horizon)就连光都无法逃逸。(? COSMOS)

问题是我们能看到银河系中央的超大质量黑洞吗?

物理学家在一个世纪以前就已经通过计算得知,如果一个物体的引力足够强,那么即使是光也无法逃脱它的引力束缚。但是黑洞很难被观测到,因为它们要么太小,要么太远,要么两者兼备。因此,银河系中心的超大质量黑洞是我们能够进行直接观测的最佳选择。

在银河系中心的黑洞的质量是太阳的400万倍,但是它的直径只有太阳直径的17倍。当然,还有比这大的多的黑洞,比如下面这个:

△ 星系NCG1277中央的超大质量黑洞要比银河系中央的黑洞大的多。(? D.Benningfield; NASA)

然而,大多数黑洞都非常小,因此你所看到的大多数黑洞其实都是艺术描绘,并不是直接拍摄的。比如下面这张:

△(? NASA/JPL-Caltech)

如果天文学家没有直接观测到黑洞,为什么他们能够肯定黑洞的存在?其实,天文学家是通过黑洞对其它物体的影响来确定的。

在银河系盘面上存在着大量的气体和尘埃,对来自银河系中心方向的可见光辐射有强烈的消光作用。如果从银河系中心发出的一万亿个可见光光子,只有一个会到达地球上的观测者,所以对我们来说银河系中心在光学波段永远是漆黑的。幸运的是天文学家可以通过其它的波段来观测,比如红外线、X-射线和射电辐射,因为这些可以穿透遮挡着可见光的尘埃。

△ X射线和红外射线波段下的银河系中心。(? NASA)

通过这些波段,天文学家发现了一个有趣的新世界:高速运动的热气体,被黑洞吞噬的物质发出的闪光,以及最令人惊奇的是有一些恒星的轨道看起来是在绕着一个完全不发光的点。

天文学家对这个点附近的恒星进行了十多年的观测,这些恒星会被加速到非常非常高的速度。而在这么小的一个区域能造成观测到的恒星轨道,只有一个可能,那就是这些恒星是围绕着超大质量黑洞运行的。

除了观测恒星的运动外,还有一个方法可以知道黑洞的存在。在黑洞周围附近的物体会旋绕进事件视界,在这个过程中这些物质会被加热至上千万度,因此会辐射出大量的X射线可以被我们观测到。

△ 不同的波段下可以看到不同的世界。

有一些超大质量黑洞还会喷出巨大的粒子流,这些粒子流以接近光的速度离开喷出,这些喷流的跨度要比整个星系还大,通过射电波段能够被观测到。比如星系M87,该星系中的超大质量黑洞要比银河系中央的大的多。

△ M87产生的喷流。(? NASA)

这些喷流并不是直接从黑洞喷出来的,而是附近的物质与黑洞的自转的复杂相互作用而产生的。除了超大质量黑洞,目前并没有已知其它能提供如此巨大的能量来源。

但是,黑洞的第一张历史性照片并不会是来自这些活跃的超级黑洞,天文学家把目标投向了我们星系中央的超大质量黑洞——人马座A* (Sgr A*)。Sgr A*偶尔会发出亮光,但大多数时候都是比较安静的。为了对Sgr A*片拍摄,天文学家建造了事件视界望远镜,该望远镜其实是连接了世界各地的多个射电望远镜。

△ 事件视界望远镜。(? University of Arizona)

为了穿过在靠近星系中央的浓厚的气体和尘埃云,他们使用射电波段而不是光学波段进行观测。天文学家会将不同望远镜获得的波形关联起来以增强信号和减少噪音:

届时会有许多的数据需要分析,一旦这些数据转化成图像,我们期待看到会看到这样的一张图:

△(? Broderick et al. 2010)

黑暗的轮廓被事件视界周围的明亮气体围绕着,在物质朝向我们的那一边会比较亮。如果他们到时拍摄到的是完全不同的东西,那么事情只会更加有趣。不管结果如何,这都会是明年最大的新闻之一。

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