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科学家可能获得观测黑洞运动的绝佳视角——连线科学

作者:亚当?曼

2014.3.14 6:30AM

这是年度宇宙大事件:目前,全世界的射电望远镜都开始观测银河系的中心,这里史上第一次能近距离观测到一个超大质量的黑洞消耗着附近的气体云。

通过观测这场星际视觉盛宴,天文学家们一定能发现黑洞的附近到底发生了什么,甚至有可能看到一些气体消失在黑洞巨大的“喉咙”里。他们看到的东西有可能会帮助科学家解决十年以来的困惑:为什么我们星系中央的黑洞一直不活跃。

天文学家们开足马力,利用很多不同波长,不同种类的射电望远镜,尽可能多地搜集信息;但他们并不确定到底会看到什么。

“这有点像是足球场上绝杀进球之前的时刻。”德国马普外层空间物理学院的天体物理学家斯特凡?吉勒森说。他是观测小组的领导人之一。每个人都知道我们要观测了,但没人知道结果会怎样。“这是球员在射门之前最紧张的时候。”

虽然被我们看作宇宙空间的清洁工,但黑洞其实与恒星这样的庞大星体没什么两样。这就意味着其它星球可以安全地绕它运行,直到它们离黑洞足够近,甚至超过以天文学家甘泽尔命名的行星——甘泽尔也是德国马普外层空间物理学院的科学家,帮助发现了G2星系。

G2星系起初体积极小,但质量却是地球的3倍。它已经以几乎完美的直线,每小时500万英里的速度飞向黑洞的中心。但因为它是一个分散而狭长的整体,所以并不能明确G2最靠近黑洞的时间。(“我们不能随便就说这件事会发生在某个星期五下午5点。”甘泽尔说。)要知道,银河系的中心离地球有26,000光年,所以所有这些事情其实是发生在26,000年前的。

链接中由计算机模拟出的情景展示了G2在黑洞附近的其中一条可能的运行轨道。 ESO/MPE/M. Schartmann/L. Cal?ada

有些模型预测出G2有可能会冲进包裹中央黑洞附近某一圆面的大气+尘埃层——后者是上一次黑洞“大快朵颐”吞噬剩下的“残羹剩饭”。如果预测属实,那里的大气层可能会升温到1000万摄氏度以上,发出能被我们观测到的X射线和其它射线。G2产生的一些尘埃甚至可能会形成漩涡然后被黑洞吸入,就像抽水马桶抽水一样:这一过程同样会产生高温,放出射线。

然而,银河系的中心也是各种谜题和奇谈怪闻的焦点。除了质量是太阳400万倍的巨大黑洞以外,科学家们还预测这里会存在大概1万个质量与太阳接近的黑洞。这些都是银河系中心大爆炸后的残留:它们像超新星一样戏剧性地炸开,然后坍缩成黑洞。其它像白矮星和中子星这些死去的恒星核也散布在这一区域。

"G2有可能撞到其中一个黑洞,那样的话就太棒了,”吉勒森说。这样的事件很可能从地球上可以用射电望远镜观测到,从而使天文学家能深入探索这些小型黑洞中包含的力学。

还有可能,之前提到的大气+尘埃层太稀薄了,以至于G2冲不进去。在这种情况下,G2的气体云将被黑洞的引力吸引,徐徐飘过这片区域,并不与其它物质发生反应。它与黑洞的最小距离大约20光时,相当于太阳和海王星——太阳系中离太阳最远行星之间距离的5倍。迄今为止,这个猜测与G2的活动最相符合。然而观测刚刚开始,天文学家们还没有看到银河系中央区域射线的增强,因此,那里气体和尘埃的数量和密度都很有限。

如果这属实,而且黑洞周围的区域相对空旷,这将有助于解释为什么银河系的黑洞不会产生太多射线。宇宙内更远的超大质量黑洞总会以射线的形式放射出大量的能量。这些被称为类星体的天体名列有史以来人们见过最亮的物体之列。目前科学家还不知道它们发光的原理,但有解释说这是星系演化的早期阶段,中央的大黑洞消耗大量物质,产生巨大的能量。而这些类星体到底为什么、如何变暗、消失,尚有待研究。

天文学家知道,还在几百年前,银河系中央的大黑洞产生的射线还比现在多得多;还有人观测到这一区域的X射线反射回声从气体和尘埃组成的云层中反射回来。大黑洞为什么不再那么活跃,现在依然是个谜。以后有了G2的轨道数据,我们也许会发现,大黑洞不再活跃仅仅是因为吸收光了周围的物质。

至于我们是否能真正目击到物质滑过黑洞的视界然后永远消失,答案是还需要等待。因为离我们太远,现有的射电望远镜都观测不到。作为视界射电望远镜项目的一部分,天文学家在尝试整合不同的射电望远镜,来拍摄超大黑洞周围的区域。但是,要等到技术成熟并开始运转,最早也得等到2016年。在那个时候,我们会不会看到一些G2中的小碎片被黑洞的引力撕裂,直接被吸进去的景象呢?

“幸运的话,我们能看到万有引力是如何发挥作用的,”甘泽尔在谈论视界射电望远镜的时候说道,“但很可能不是在这儿的星云上看到。”

测引力值需要一个非常精准的钟,他补充说。而且G2不能发出任何对此有用的周期性射线。

视频内容:计算机模拟视频,演示G2星系通过黑洞中心的一个可能的路径。

ESO/MPE/M. Schartmann/L. Cal?ada

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