中國(guó)科學(xué)家揭秘銀河系中心大黑洞為何不貪吃

近日，科學(xué)家對(duì)于黑洞的研究取得重大進(jìn)展，這項(xiàng)進(jìn)展有助于我們理解為什么我們的銀河系中心雖然擁有一個(gè)巨大的黑洞，卻并沒(méi)有表現(xiàn)出很強(qiáng)的活動(dòng)性。這項(xiàng)研究結(jié)果發(fā)表在最新一期的國(guó)際著名的《Science》雜志上，第一作者是美國(guó)麻省大學(xué)的王青德教授（上海天文臺(tái)客座教授）。上海天文臺(tái)的袁峰、南京紫金山天文臺(tái)的紀(jì)麗、南京大學(xué)的李致遠(yuǎn)等中國(guó)科學(xué)家也都參與了其中的重要研究工作。

黑洞是宇宙中最神秘的天體之一，它的超強(qiáng)引力會(huì)吸積周?chē)臍怏w，形成吸積流。這些吸積流在向黑洞下落的過(guò)程中會(huì)將引力能轉(zhuǎn)變成氣體的熱能，從而在許多高能波段（如X射線）發(fā)出強(qiáng)烈的輻射。幾乎所有的星系中心都存在一個(gè)超大質(zhì)量黑洞，它們的質(zhì)量在幾百萬(wàn)倍到幾十億倍的太陽(yáng)質(zhì)量之間，因此通常認(rèn)為黑洞吸積周?chē)镔|(zhì)而發(fā)出強(qiáng)烈輻射就是宇宙中能夠持續(xù)發(fā)光的最明亮天體——活動(dòng)星系核——的能量來(lái)源。

但是奇怪的是，宇宙中的大部分星系，包括我們所在的銀河系，其核心雖然也有巨大的黑洞，但是并沒(méi)有出現(xiàn)強(qiáng)大的輻射，相對(duì)于活動(dòng)星系核而言，它們顯得非常的平靜。比如我們的銀河系，其核心在X射線波段的輻射比一般活動(dòng)星系核的輻射強(qiáng)度要弱上11個(gè)數(shù)量級(jí)。

同樣是超大質(zhì)量黑洞，為什么貪吃的程度差別如此巨大？這一問(wèn)題一直以來(lái)是困擾天體物理學(xué)家的難題。

大約15年前，有科學(xué)家猜想，解決上述問(wèn)題的關(guān)鍵之一，可能是由于大部分的吸積流進(jìn)入黑洞勢(shì)力范圍后，在往黑洞下落的過(guò)程中損失掉了，這些損失的氣體以外流的形式逃出了黑洞的俘獲。但是這一想法存在很大的爭(zhēng)議。因此，外流是否存在15年來(lái)一直是個(gè)未解決的問(wèn)題。一直到去年，上海天文臺(tái)的袁峰研究員等人通過(guò)大型計(jì)算機(jī)的數(shù)值模擬研究，從理論上首次證明，外流必定存在于黑洞吸積流中。

然而，黑洞外圍究竟是否存在大量的氣體外流，最終還是要靠觀測(cè)來(lái)檢驗(yàn)上述理論。這就是這篇《Science》文章的主要內(nèi)容。這篇文章是基于通過(guò)世界上分辨率最高的錢(qián)德拉X射線望遠(yuǎn)鏡的詳細(xì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析做出的研究結(jié)果。國(guó)際上一個(gè)由來(lái)自美國(guó)、英國(guó)、荷蘭以及中國(guó)等國(guó)家的幾十名科學(xué)家組成的團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合申請(qǐng)得到了總計(jì)300萬(wàn)秒觀測(cè)時(shí)間（約35天）的課題，這也是錢(qián)德拉望遠(yuǎn)鏡有史以來(lái)最大的觀測(cè)課題之一。

觀測(cè)目標(biāo)指向了一處名為人馬座A*的區(qū)域，這里就是銀河系的中心所在，距離我們約2.6萬(wàn)光年。計(jì)算表明它的周?chē)霃郊s4角秒（稱為邦迪俘獲半徑）的范圍可視作中心黑洞的勢(shì)力范圍，這相當(dāng)于史瓦西半徑（也就黑洞的真正半徑）的40萬(wàn)倍。中心黑洞附近的大質(zhì)量恒星產(chǎn)生的星風(fēng)物質(zhì)進(jìn)入這個(gè)區(qū)域后，其運(yùn)動(dòng)軌跡將在強(qiáng)大引力的作用下受到嚴(yán)重的扭曲，但是并非一定就會(huì)落入黑洞，也有很大的可能會(huì)被加速甩出這個(gè)區(qū)域，這就是本項(xiàng)研究工作所關(guān)注的氣體外流。

長(zhǎng)時(shí)間的詳盡觀測(cè)得到了豐富的數(shù)據(jù)，研究人員通過(guò)分析氣體中鐵元素的發(fā)射線，證明了外流的確是存在的。具體來(lái)說(shuō)，該項(xiàng)研究表明，大約99%的進(jìn)入黑洞勢(shì)力范圍的氣體最終沒(méi)有被黑洞吞噬，而是以外流的形式損失掉了。只有1%進(jìn)入了黑洞視界。視界是黑洞的真正邊界，任何進(jìn)入黑洞視界的物質(zhì)，包括光，都不再能夠逃脫出來(lái)，所以視界之內(nèi)是絕對(duì)的黑暗。任何物質(zhì)進(jìn)入視界都將有去無(wú)回。

這一成果顯然對(duì)于我們理解黑洞有巨大幫助，它表明黑洞并不像我們想象的那樣“來(lái)者不拒”，而是“非常挑剔”！至于產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因，袁峰研究員的理論研究給出了回答：只有“犧牲”掉大部分外流，才能帶走吸積流的能量和角動(dòng)量，從而使得小部分氣體“修成正果”——落入黑洞。理論研究表明，銀心附近的氣體非常彌散而且熾熱，黑洞就難以捕捉和吞咽。而那些驅(qū)動(dòng)活動(dòng)星系核產(chǎn)生強(qiáng)大輻射的貪吃黑洞，是因?yàn)樗鼈儞碛凶銐蚨嘤掷溆置芗臍怏w資源。

袁峰說(shuō)：“銀河系中心的黑洞發(fā)現(xiàn)，它并不能隨心所欲地吞吃周?chē)械臇|西，那些東西雖然誘人，大部分卻是難以下咽。”

研究表明，銀河系中心黑洞遭遇的這個(gè)尷尬并非它的專利，宇宙中大部分星系核心發(fā)生的其實(shí)都是這種模式的吸積過(guò)程，這就是為什么大部分星系核都顯得如此暗淡的重要原因之一。

黑洞吸積是宇宙中最重要的基本物理過(guò)程之一，是我們理解活動(dòng)星系核、伽馬射線暴等現(xiàn)象的核心理論。宇宙中大部分的星系都距離我們過(guò)于遙遠(yuǎn)，我們難以分辨其中心的結(jié)構(gòu)。銀河系的中心超大質(zhì)量黑洞為我們提供了一個(gè)最好的樣本，它是距離我們最近的超大質(zhì)量黑洞，因此也是研究吸積過(guò)程最理想的宇宙實(shí)驗(yàn)室。

作為該文的合作者，袁峰研究員與該論文的其他兩位作者一起，接受了美國(guó)國(guó)家宇航局（NASA）的專訪，解答了記者提出的有關(guān)問(wèn)題。

（摘自新浪科技）