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黑暗之心:銀河系中心黑洞即將爆發(fā)
位于銀河系中心的超大黑洞,很長時間以來,一直是一位溫和的巨人——但這一切可能會在今年改變,因?yàn)樵诔了嗽S久之后,它即將醒來,進(jìn)食它的第一頓大餐。
Shea 今天 10:27
2013年年底,一團(tuán)質(zhì)量相當(dāng)于地球3倍的氣體,將落入銀河系中心超大黑洞的口中。得到食物補(bǔ)充的黑洞,也將從沉睡中蘇醒,轉(zhuǎn)入爆發(fā)模式。這張示意圖中紅色標(biāo)出的就是那團(tuán)氣體,藍(lán)線標(biāo)出的則是周圍的恒星圍繞黑洞旋轉(zhuǎn)的安全軌道。圖片來源:ESO
(文/Nigel Henbest)我們銀河系的中心是一個極端之地。“在銀河系中,那里的恒星密度最高,恒星運(yùn)動速度最快,氣體儲量最集中,磁場也最強(qiáng)。”美國加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校的天文學(xué)家馬克·莫里斯(Mark Morris)說。而潛伏在銀河系正中心的,則是宇宙中最難以理解的天體——我們銀河系自己的超大質(zhì)量黑洞。
這個質(zhì)量高達(dá)太陽400萬倍的黑色巨獸,被稱為人馬A*(Sgr A*),能夠讓恒星以每小時近2000萬千米的速度繞著它疾馳。然而,這也是一頭溫順的巨獸,只吞噬稀薄的星際氣體當(dāng)作零食。那些氣體在葬身其腹之前,會釋放出暗弱的射電輻射。
如今,它的“性格”即將發(fā)生改變。過去,人馬A*產(chǎn)生過大規(guī)模爆發(fā),把銀河系塑造成了今天這個模樣。2013年年底,一團(tuán)被稱為G2的氣體云將靠近它的邊緣,我們將首次目睹一個黑洞如何從沉睡中蘇醒。對于是什么讓一個星系的黑暗心臟開始跳動,我們將獲得前所未有的認(rèn)識。
研究銀河系的中心并不容易。它發(fā)出的可見光在抵達(dá)地球之前,幾乎就會被大量的塵埃吸收干凈。如果陽光也會遭遇同樣的消光,正午的太陽看上去就會比北極星還要黯淡,白晝的天空也會黑得深不可測。因此,為了能夠看得清楚,我們必須求助于能夠穿透那些塵埃的輻射——也就是射電波、紅外線和X射線。
過去幾十年來,工作在這些波段上的地面和空間望遠(yuǎn)鏡所作的觀測已經(jīng)表明,放眼宇宙,人馬A*其實(shí)沒有特別突出的地方。它只比太陽明亮100倍,而區(qū)區(qū)一顆恒星,比如說獵戶座中的參宿四,亮度就高達(dá)太陽的10萬倍。還有一些黑洞重達(dá)太陽的數(shù)十億倍,落向它們的氣體會被加熱而發(fā)出輻射,從而爆發(fā)成類星體。
類星體是宇宙中最明亮的天體,發(fā)現(xiàn)于1963年4月。然而,它們遙遠(yuǎn)的距離使得我們難以對其展開研究。美國西北大學(xué)的達(dá)里爾·哈格德(Daryl Haggard)說:“仔細(xì)研究我們銀河系的中心,包括G2的遭遇,可能是我們詳細(xì)了解這些現(xiàn)象的最佳機(jī)會?!?div style="height:15px;">
天文學(xué)家用來瞄準(zhǔn)人馬A*展開觀測的最新設(shè)備,是美國宇航局(NASA)在2012年6月發(fā)射升空的核分光望遠(yuǎn)鏡陣(NuSTAR)。它可以在最高能的X射線波段上細(xì)致地觀測天空,這類輻射正是位于黑洞邊緣的灼熱氣體會發(fā)射出來的。
2012年,NuSTAR探測到了來自人馬A*的X射線爆發(fā)。這可能源自于繞著黑洞轉(zhuǎn)動的氣體內(nèi)部貫穿的磁場:隨著磁場纏繞得越來越緊,它們可能會突然“短路”,像太陽耀斑那樣產(chǎn)生一道耀眼的閃光。又或者,磁場可能從氣體盤中旋轉(zhuǎn)著完全脫離出來,產(chǎn)生一道狹窄的能量噴流。許多類星體都“驕傲地”展現(xiàn)出延伸長達(dá)數(shù)千光年的巨大能量噴流,人馬A*的小規(guī)模爆發(fā)或許也會向我們展示這些噴流的形成過程。
也有可能,這些爆發(fā)完全是另一回事。英國萊斯特大學(xué)的謝爾蓋·納雅克欽(Sergei Nayakshin)認(rèn)為,這次X射線爆發(fā)具備了所有的特征,來自于一團(tuán)比G2小得多的氣體,在黑洞的邊緣被加熱到了1億度的高溫。
死定了的行星
他的觀點(diǎn)是,這團(tuán)過熱氣體是一顆命運(yùn)多舛的小行星的遺骸,直徑原本有10千米,源自于一個可能圍繞銀心旋轉(zhuǎn)的巨型小行星帶。這顆落向黑洞的小行星曾經(jīng)近距離飛掠過銀心黑洞,最近時到黑洞的距離跟太陽到地球的間距相當(dāng),結(jié)果被黑洞強(qiáng)大的引力撕碎。“如果一顆小行星闖到了人馬A*附近太過于靠近一顆恒星或行星的地方,它的軌道就會發(fā)生變化,” 納雅克欽說,“如果被拋向黑洞,那它就死定了?!?div style="height:15px;">
納雅克欽估計(jì),大約每十萬年,就會有一顆不幸的行星用同樣的方式,甚至在更壯觀的爆發(fā)中結(jié)束它的一生。這樣的“死亡”可以解釋人馬A*一個世紀(jì)前發(fā)生的一場爆發(fā),當(dāng)時它的亮度達(dá)到了太陽100萬倍,爆發(fā)的回光(類似回聲,只不過主體是光,而不是聲音)仍在銀河系中心附近回蕩。這樣的回光現(xiàn)象,也就是輻射在附近氣體云團(tuán)上的反射,最早是在可見光波段,在一顆熄滅已久的爆炸恒星周圍發(fā)現(xiàn)的。過去10年來,兩顆X射線衛(wèi)星一直在監(jiān)視我們銀河系的中心,已經(jīng)看到了一波明亮的X射線在那里的寒冷氣體云中傳播。哈格德說:“通過這些觀測往前回溯,我們可以得出結(jié)論,人馬A*在最近100年前曾經(jīng)發(fā)出過非常強(qiáng)勁的輻射?!?div style="height:15px;">
目前,我們還無法分辨這場爆發(fā)是一顆行星最后的呻吟,還是黑洞磁場打了一個巨嗝。對于未來的爆發(fā),我們應(yīng)該能夠分辨出來,這要得益于名副其實(shí)的事件視界望遠(yuǎn)鏡(Event Horizon Telescope)。
要看清人馬A*的最細(xì)微之處,就需要盡可能使用最大的望遠(yuǎn)鏡,事件視界望遠(yuǎn)鏡符合這一要求。它其實(shí)是一臺“虛擬”的望遠(yuǎn)鏡,由世界各地的射電望遠(yuǎn)鏡相連而成,這使得它的等效口徑足有地球那么大。在它的首次觀測中,3臺相連的射電望遠(yuǎn)鏡盯著人馬A*進(jìn)行了足夠細(xì)致的觀測,發(fā)現(xiàn)一團(tuán)氣體就位于黑洞的邊緣,也就是它的事件視界上。隨著智利和南極洲上更多的射電望遠(yuǎn)鏡加入進(jìn)來,這臺望遠(yuǎn)鏡的靈敏度將進(jìn)一步提高,應(yīng)該能夠觀測到人馬A*的爆發(fā)是向內(nèi)下落還是向外噴射——前者標(biāo)志著小行星或者行星的瓦解,后者則是能量噴流的特征。
相對于能讓萬億顆太陽都黯然失色的類星體,銀河系中心100年前的爆發(fā)簡直微不足道。但進(jìn)一步的銀河系考古發(fā)現(xiàn)了銀河系核心曾經(jīng)更劇烈爆發(fā)的證據(jù),爆發(fā)時的耀眼程度直逼類星體。那場爆發(fā)在銀河系中心的兩側(cè),形成了兩個巨型高溫氣泡,現(xiàn)在分別高達(dá)25000光年。這兩個“費(fèi)米氣泡”是在2010年由NASA的費(fèi)米衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)的,這顆衛(wèi)星專門探測空間中的γ射線。那么,是什么造就了如此巨大的結(jié)構(gòu)?
銀河系的上下兩側(cè),存在兩個分別高達(dá)25000光年的巨型高溫氣泡,它們的存在為銀河系中心黑洞過去曾經(jīng)大規(guī)模爆發(fā)提供了證據(jù)。圖片來源:harvard.edu
大質(zhì)量年輕恒星構(gòu)成的3個星團(tuán)提供了一條線索:一個星團(tuán)就在人馬A*附近高速運(yùn)動,另外兩個在距離稍遠(yuǎn)的地方圍繞黑洞旋轉(zhuǎn),其中這一便是所謂的“五合星團(tuán)”(Quintuplet cluster)。這個星團(tuán)中包含著著名的手槍星云星(Pistol star),它是整個銀河系中質(zhì)量最大、最明亮的恒星之一。這些星團(tuán)的誕生本身就是大事一件,必定會產(chǎn)生更加廣泛的影響。美國西北大學(xué)的法爾哈德·尤塞夫-扎德(Farhad Yusef-Zadeh)說:“恒星形成的效率非常低,應(yīng)該會有50%的氣體被傾倒在了人馬A*上。”有了充裕的氣體可以大塊朵頤,人馬A*會發(fā)生能量相當(dāng)于太陽1000億倍的爆發(fā),使它像類星體一般閃耀(盡管按類星體的標(biāo)準(zhǔn),這個亮度只能算是一般般),或許還吹出了兩個巨大的高溫氣泡。
還有其他的解釋?!皩τ谫M(fèi)米氣泡,每個人都有自己偏愛的觀點(diǎn),”尤塞夫-扎德說,“我認(rèn)為它是由星暴的能量產(chǎn)生的?!保ň幷咦ⅲ盒潜┦侵复笠?guī)模的恒星形成過程。)但費(fèi)米衛(wèi)星還發(fā)現(xiàn)了有趣的線索,暗示兩個氣泡中存在一條筆直的“噴流”,這或許標(biāo)志著是銀河系中心的黑洞為吹起這兩個氣泡注入了能量。
無論細(xì)節(jié)如何,費(fèi)米氣泡的存在都指向了銀河系中心曾經(jīng)出現(xiàn)過的大規(guī)模騷動,涉及到大量氣體的運(yùn)動——不是落入黑洞,就是坍縮形成我們今天看到的大質(zhì)量星團(tuán)。大量氣體的出現(xiàn)很容易解釋:雖然緊挨著人馬A*的周邊區(qū)域幾乎沒有氣體,但幾百光年之外就有許多巨大而稠密的氣體云繞著銀河系中心轉(zhuǎn)動。其中一塊氣體云被稱為人馬B2,質(zhì)量達(dá)到太陽的300萬倍,包含100多種不同的分子,其中的酒精足以裝滿一個地球大小的酒杯。問題是,這樣的氣體云如何會被蹋出原本穩(wěn)定的軌道,坍縮形成新的星團(tuán),還為貪婪的人馬A*黑洞提供了食物。
2013年3月,美國范德堡大學(xué)的凱利·霍立-博克爾曼(Kelly Holley-Bockelmann)及其同事提出,罪魁禍?zhǔn)资且粋€矮星系。這個闖入者驟然撞入銀河系的中心區(qū),壓縮了氣體云,使它們坍縮形成了明亮的新生恒星,其中就包括手槍星云星這樣的巨型恒星。剩余的氣體則被傾倒進(jìn)了中央黑洞之中。
孤注一擲
哈格德已經(jīng)觀測過數(shù)十億光年以外與銀河系類似的星系,他估計(jì)這樣的騷動在星系的一生中會反復(fù)發(fā)生,或許每1000萬年到1億年就會出現(xiàn)一次。這意味著銀河系中心黑洞的下一次大規(guī)模爆發(fā)還要等很久才有可能發(fā)生,也意味著天文學(xué)家將更加熱切地期待即將在2013年年底發(fā)生的爆發(fā)事件。
今年年底,一團(tuán)氣體將幾乎徑直落入銀河系中心超大黑洞之口。得到食物補(bǔ)充的黑洞,也有可能轉(zhuǎn)入爆發(fā)模式。視頻來源:ESO
德國馬普學(xué)會地外物理研究所的斯特凡·吉勒森(Stefan Gillessen),在檢查他和同事過去10年來收集的人馬A*的圖片時,發(fā)現(xiàn)了氣體云G2。他說,這完全是個驚喜。G2不像周圍高速運(yùn)動的恒星那樣,在安全距離上圍繞銀心黑洞旋轉(zhuǎn),而是在孤注一擲地幾乎徑直沖向黑洞。吉勒森作出的最合理猜測是,這團(tuán)氣體云是附近恒星吹出的星風(fēng)相互碰撞減速而形成的。
還有人提出,G2是一個年輕恒星周圍正在形成的行星系統(tǒng)中蒸發(fā)出來的氣體——這或許稱得上是最為極端的觀點(diǎn)。如果這種推測屬實(shí),我們即將目睹的就將是一個飽受摧殘的行星系統(tǒng),以比海王星到太陽更近的距離,從一個超大質(zhì)量黑洞旁邊掠過的場景——這肯定會成為未來某部科幻電影中的一個場景。
等到今年年底,隨著G2經(jīng)過距離黑洞最近的地方,它的一部分氣體開始被黑洞吸入,會有更多的信息顯現(xiàn)出來。尤塞夫-扎德說:“這將是一件非常非常大的事件。”首先,它將告訴我們一些關(guān)于黑洞周圍氣體環(huán)境的信息。如果人馬A*周圍幾乎沒有氣體存在,G2在黑洞引力的作用下被擠壓成長面條形時,就只是會升溫而已。紅外望遠(yuǎn)鏡將看到它的亮度會激增,其他設(shè)備將探測不到任何東西。
相反,如果在黑洞周圍潛藏著一個至今未被我們發(fā)現(xiàn)的稠密氣體盤,G2在高速撞入氣體盤的過程中,就將產(chǎn)生X射線和射電波的爆發(fā)。這樣的碰撞甚至?xí)蛭覀兺嘎?,人馬A*有沒有在向外發(fā)出能量噴流——只不過因?yàn)樘?,天文學(xué)家無法用普通望遠(yuǎn)鏡觀測到它。
吉勒森和同事從2013年3月便開始了觀測,預(yù)計(jì)會緊盯著它,直到2014年3月。哈格德也參與了這項(xiàng)漫長的監(jiān)測。她說:“G2和人馬A*之間的這場遭遇戰(zhàn),整個過程可能會持續(xù)幾年,甚至更長時間?!比绻S嗟臍怏w在黑洞周圍形成一個持久的氣體盤,我們甚至可能看到一個微縮版的類星體,向太空中射出更強(qiáng)勁的噴流。
我們應(yīng)該為此擔(dān)心嗎?恐怕沒有必要。相對于星系的尺度上,G2還是太小了——它的質(zhì)量最多只相當(dāng)于3個地球,因此沒有人預(yù)期它會在銀心引發(fā)類星體那樣的大規(guī)模爆發(fā)。莫里斯說,那種大規(guī)模的爆發(fā)或許還要再等1000萬年才會發(fā)生。即便到了那時,如果我們的子孫后代還活著的話,他們也沒必須鉆進(jìn)距離最近的防空洞。“在銀河系中心出現(xiàn)的爆發(fā)和類星體,對天文學(xué)家來說雖然是個絕好的機(jī)會,但它們對地球產(chǎn)生重大影響的可能性極小,”莫里斯說,“有25000光年的距離,我們離那片危險區(qū)域還很遙遠(yuǎn)。”
如果我們能跨越25000光年,親身前往銀河系中心近距離觀賞這一事件,那將會相當(dāng)壯觀。“我們在那里能夠看到的‘夜空’會讓你嘆為觀止,”莫里斯說,“在地球的夜空中你每看到一顆星星,在那里你會看到100萬顆?!辈贿^,尤塞夫-扎德說,由于存在高強(qiáng)度的背景輻射,再加上還有一個不可預(yù)測的黑色巨獸潛伏在附近,那里大概不是我們會考慮要去的地方。用他的話來說,“絕不可能!我又沒瘋,我知道在那里我身上會發(fā)生什么——我可是很珍惜生命的!”
編譯自:《新科學(xué)家》,Heart on fire: Our galaxy's black hole is set to blow
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