銀河系中心附近耀斑的特征性“晃動(dòng)”：證實(shí)黑洞存在

天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在一個(gè)大質(zhì)量黑洞的噴流周圍存在著圍繞其運(yùn)轉(zhuǎn)的“熱斑”(hotspot)，并且表現(xiàn)出特征性的紅外輻射“晃動(dòng)”，這為銀河系中心存在一個(gè)超大質(zhì)量黑洞提供了新的證據(jù)。加拿大滑鐵盧大學(xué)的天文學(xué)家艾弗里·布羅德里克(Avery Broderick)多年前就參與構(gòu)建了銀河系中心黑洞的模型，他表示，13年來(lái)的觀測(cè)終于獲得了回報(bào)。

這項(xiàng)新研究涉及到布羅德里克多年前的工作。研究結(jié)果顯示，銀河系中心的黑洞——稱為人馬座A*(Sagittarius A*)——發(fā)出了3個(gè)耀斑(又稱為可見(jiàn)熱斑)。研究團(tuán)隊(duì)探測(cè)到來(lái)自這些耀斑的一次不穩(wěn)定爆發(fā)，從而得以探測(cè)環(huán)繞黑洞的吸積盤。吸積盤是在黑洞或中子星周圍，氣體和塵埃受到引力作用向中心天體落下而形成的盤狀結(jié)構(gòu)。通過(guò)對(duì)耀斑爆發(fā)的研究，科學(xué)家描繪出了人馬座A*的行為。

布羅德里克的黑洞理論建立在較早前兩個(gè)團(tuán)隊(duì)對(duì)銀河系中心近紅外研究的基礎(chǔ)上。這兩個(gè)團(tuán)隊(duì)分別是來(lái)自德國(guó)馬克斯普朗克地外物理研究所的天文學(xué)家萊茵哈德·根澤爾(Reinhard Genzel)，以及加州大學(xué)洛杉磯分校的研究者安德里亞·蓋茲(Andrea Ghez)和馬克·莫里斯(Mark Morris)，他們的工作揭示了銀河系中心并不穩(wěn)定，而是在一天中會(huì)有一段時(shí)間極其明亮，持續(xù)大約30或40分鐘。

天文學(xué)家認(rèn)為，大多數(shù)(如果不是所有)大型星系的中心都存在超大質(zhì)量黑洞。因此，2005年，布羅德里克在哈佛史密松天體物理中心與天文學(xué)家艾維·利伯(Avi Loeb)一起工作時(shí)，提出在銀河系中心所觀測(cè)到的周期性增亮現(xiàn)象——又被稱為明亮紅外耀斑——源于一個(gè)超級(jí)巨大的物體，比如黑洞。

這一理論進(jìn)一步得到了新證據(jù)的支持。天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)一個(gè)非常明亮、密集的恒星群(稱為“核星團(tuán)”)環(huán)繞銀河系中心區(qū)域運(yùn)轉(zhuǎn)。此外，紅外線觀測(cè)顯示，位于銀河系中心的恒星圍繞著一個(gè)質(zhì)量約為太陽(yáng)400萬(wàn)倍的物體運(yùn)轉(zhuǎn)，再一次表明一個(gè)大型黑洞的存在。不過(guò)，布羅德里克表示，在此次新研究之前，所有觀測(cè)數(shù)據(jù)都不足以證明銀河系中心確實(shí)存在黑洞。

突發(fā)的耀斑行為

布羅德里克說(shuō)，近日探測(cè)到的來(lái)自銀河系中心的3個(gè)耀斑是黑洞引力透鏡的產(chǎn)物。“黑洞的作用就如同燈塔的鏡片。那里存在一個(gè)局部的噴射區(qū)域，但并不是噴射區(qū)域本身的突然增亮引發(fā)了耀斑，”他說(shuō)道。相反地，是黑洞的引力使噴射產(chǎn)生的光線彎曲，并將其放大，使我們能觀測(cè)到。布羅德里克解釋道：“這才是耀斑產(chǎn)生的原因，即極端引力的放大作用。”

根據(jù)這一結(jié)果，布羅德里克和利伯最初預(yù)測(cè)，在圍繞人馬座A*的吸積盤中，物體會(huì)表現(xiàn)出特定的紅外線噴射晃動(dòng)，因?yàn)樗鼈冊(cè)诃h(huán)繞黑洞的軌道上運(yùn)轉(zhuǎn)。他們?cè)?005年的一篇論文中闡述了這一理論，并在2006年的后續(xù)論文中做了補(bǔ)充。然而，當(dāng)時(shí)的技術(shù)還無(wú)法探測(cè)到這樣的擺動(dòng)。

2016年，歐洲南方天文臺(tái)甚大望遠(yuǎn)鏡(VLT)的高精度光干涉儀GRAVITY投入使用，改變了這一切。GRAVITY的精確度和靈敏度幫助天文學(xué)家探測(cè)到人馬座A*的吸積盤中3個(gè)耀斑噴射中的晃動(dòng)。歐洲南方天文臺(tái)研究團(tuán)隊(duì)的新發(fā)現(xiàn)發(fā)表在10月18日的《天文學(xué)與天體物理學(xué)》(Astronomy & Astrophysics)期刊上。

布羅德里克說(shuō)：“雖然耀斑的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)有很長(zhǎng)時(shí)間，但這里的關(guān)鍵性發(fā)現(xiàn)是這些耀斑的特征性晃動(dòng)。”這一晃動(dòng)表明，產(chǎn)生這些耀斑的物質(zhì)正在環(huán)繞一個(gè)黑洞運(yùn)轉(zhuǎn)。

人馬座A*附近的耀斑發(fā)生在靠近黑洞的磁場(chǎng)線斷裂并重連的過(guò)程中。這一過(guò)程稱為“磁重聯(lián)”(magnetic reconnection)，能釋放出大量能量和帶電粒子，導(dǎo)致極端明亮的事件。從這些耀斑中釋放的紅外輻射由于其環(huán)繞黑洞的軌道運(yùn)動(dòng)而表現(xiàn)出特征性的晃動(dòng)。具體而言，當(dāng)其他噴射物融入圍繞銀河系中心的吸積流時(shí)，紅外輻射的中心就會(huì)發(fā)生移動(dòng)，或者說(shuō)“晃動(dòng)”。

在黑洞的事件視界以外，氣體和塵埃等物質(zhì)以大約三分之一光速的速度在一個(gè)圓形軌道上運(yùn)行。耀斑的軌道期——它完成一圈軌道運(yùn)行的時(shí)間——與晃動(dòng)出現(xiàn)的時(shí)間間隔相同，天文學(xué)家每40到50分鐘就觀測(cè)到一次這樣的晃動(dòng)。布羅德里克表示，這么短的時(shí)間尺度是黑洞引力作用的結(jié)果，表明這些繞行的物質(zhì)非常接近黑洞。

“13年前，我們的觀點(diǎn)是這些耀斑與(星系中心的)結(jié)構(gòu)可變性有關(guān)，并且我們將能夠利用這一結(jié)構(gòu)可變性來(lái)說(shuō)明廣義相對(duì)論和強(qiáng)引力作用，”布羅德里克說(shuō)，“令人興奮的是，這一觀點(diǎn)似乎是對(duì)的。”

證明黑洞的存在

耀斑產(chǎn)生的噴射晃動(dòng)并不是唯一預(yù)示著一個(gè)超大質(zhì)量黑洞存在于銀河系中心的證據(jù)。銀河系中心無(wú)疑具有一個(gè)質(zhì)量達(dá)到太陽(yáng)400萬(wàn)倍的物體，但證明它是黑洞的過(guò)程充滿挑戰(zhàn)。

銀河系中心還存在一個(gè)核星團(tuán)，其中具有超過(guò)50萬(wàn)顆恒星。根據(jù)愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論，天文學(xué)家通過(guò)測(cè)量環(huán)繞運(yùn)行的恒星和氣體的質(zhì)量，估計(jì)出了銀河系中心隱藏天體的質(zhì)量。布羅德里克表示，這進(jìn)一步支持了400萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量物體是超大質(zhì)量黑洞的觀點(diǎn)。

“就我們所知，沒(méi)有其他物體能夠在如此緊湊的結(jié)構(gòu)內(nèi)維持這樣的質(zhì)量而不坍塌，”布羅德里克說(shuō)，“如果不是一個(gè)黑洞，那它就必須是某種極為奇特、超出我們目前認(rèn)知邊界的東西。”

此外，觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，有許多物質(zhì)確實(shí)是在我們的銀河系中心消失了。這些物質(zhì)被拖入星系中心，最終被困在黑洞周圍不斷增長(zhǎng)的吸積盤中。盡管吸積盤軌道中的大部分物質(zhì)在人馬座A*周圍都很安全，但太過(guò)靠近的物質(zhì)會(huì)不斷被吸入并穿過(guò)黑洞的事件視界。事件視界是黑洞最外層的邊界，也是一條時(shí)空邊界。當(dāng)物質(zhì)經(jīng)過(guò)事件視界落入黑洞后，就再也無(wú)法逃離。布羅德里克說(shuō)，研究人員可以看到物質(zhì)在經(jīng)過(guò)事件視界時(shí)由于摩擦而變得異常明亮。

“這就變成某種‘它去哪里了?’的爭(zhēng)論，”布羅德里克說(shuō)，“我們知道這些物質(zhì)正在落入黑洞，因?yàn)槲覀兛吹剿牧炼仍黾樱珱](méi)看到相應(yīng)的撞擊發(fā)光。因此，它肯定消失在某些地方了。”

因此，事件視界及其背后黑洞的存在，便成了銀河系中心奇特行為最合理的解釋。“從個(gè)人角度來(lái)說(shuō)，看到一項(xiàng)預(yù)測(cè)最終被證實(shí)真的太讓人興奮了，”布羅德里克說(shuō)，“我認(rèn)為這標(biāo)志著科學(xué)史上非常重要的一刻，黑洞從某種奇聞異事便成了具有真實(shí)基礎(chǔ)的東西。”