黑洞照相機(jī)給“天籟”拍“抖音”

科學(xué)界對(duì)于黑洞行為一直有一個(gè)爭(zhēng)論：光子從黑洞的冕傳播到吸積盤所需要的時(shí)間縮短，究竟是由于冕的收縮，還是吸積盤的內(nèi)半徑變小？

近日，一個(gè)由美國科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的國際研究團(tuán)隊(duì)在英國《自然》雜志上發(fā)表了一篇關(guān)于黑洞行為最新觀測(cè)結(jié)果的文章。研究者采用放置在空間站上的中子星內(nèi)部組成探測(cè)器（NICER），觀測(cè)了MAXI J1820+070黑洞吸積伴星暫現(xiàn)源。

這次觀測(cè)對(duì)上述爭(zhēng)論給出了一個(gè)合理的解釋。這讓科學(xué)界很興奮，這篇論文也因此成為《自然》雜志封面文章。

能夠作出這一發(fā)現(xiàn)，科學(xué)家依靠的是高精度的觀測(cè)設(shè)備。或許有一天，我們也可以用高精度“照相機(jī)”給黑洞拍個(gè)“抖音”。

1.拍攝黑洞的“快手”

黑洞在吸積過程中會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)X射線信號(hào)，先有一個(gè)來自黑洞冕的硬X射線信號(hào)（即高頻信號(hào)），第一個(gè)信號(hào)傳播到吸積盤后會(huì)產(chǎn)生另一個(gè)軟X射線信號(hào)（即低頻信號(hào)）。光子從冕傳播到吸積盤需要時(shí)間，所以有時(shí)間延遲。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)天文學(xué)系特任副研究員蔣凝表示，前述最新成果發(fā)現(xiàn)，MAXI J1820+070在X射線耀發(fā)后的時(shí)間延遲僅為之前的1/6～1/20，由于黑洞的外部結(jié)構(gòu)中只有冕和吸積盤兩個(gè)單元，因此對(duì)這種時(shí)延縮短有兩種可能的解釋。

一種解釋認(rèn)為，是吸積盤的內(nèi)半徑變小了，也就是被截?cái)嗔?另一種解釋則是冕收縮到離吸積盤更近。科學(xué)家推測(cè)，如果前一種解釋是正確的，由于引力紅移效應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致能譜上Fe K線的輪廓發(fā)生變化。借助本次觀測(cè)中同時(shí)擁有高時(shí)間精度和高能譜分辨率的“利器”NICER，研究人員發(fā)現(xiàn)Fe K線的輪廓基本保持不變，因此剩下的就是后一種解釋了，即導(dǎo)致時(shí)延縮短的原因是冕的收縮。

能夠獲得如此精確的觀測(cè)結(jié)果并推導(dǎo)出這一重要的科學(xué)結(jié)論，依靠的是兩個(gè)安裝在國際空間站上的“勞模”——全天X射線監(jiān)測(cè)相機(jī)（MAXI）和中子星內(nèi)部組成探測(cè)器（NICER）。2018年3月11日，MAXI發(fā)現(xiàn)在獅子座方向距離我們大約1萬光年的位置有一個(gè)X射線耀發(fā)，NICER隨即開始監(jiān)測(cè)這個(gè)事件。

蔣凝介紹道，與此前的類似設(shè)備，如X射線多鏡片任務(wù)衛(wèi)星XMM-Newton相比，NICER最大的優(yōu)勢(shì)就是時(shí)間分辨率極高，達(dá)到100納秒，比之前NASA最好的計(jì)時(shí)設(shè)備羅西X射線計(jì)時(shí)探測(cè)器要快25倍。

“X射線衛(wèi)星盡量要做到一個(gè)一個(gè)地記錄光子，因此需要很高的時(shí)間分辨率，否則在同一個(gè)計(jì)時(shí)區(qū)間內(nèi)有幾個(gè)光子到達(dá)，我們就無法知道每個(gè)光子的能量。MAXI J1820+070每秒差不多有25000個(gè)能量0.2～12千電子伏的光子到達(dá)NICER，正因?yàn)橛谐斓挠?jì)時(shí)，才能區(qū)分開一個(gè)個(gè)光子。相比之下，XMM-Newton在每秒接收600～800個(gè)光子的時(shí)候就有光子‘堆積效應(yīng)。不僅如此，NICER在軟X射線波段的有效能譜面積也是最高的，是XMM-Newton衛(wèi)星的兩倍。”

正是得利于這樣優(yōu)越的天賦，NICER才能用來幫助科學(xué)家捕捉黑洞邊緣的一些微弱信息。

2.逃離黑洞的信息

黑洞是廣義相對(duì)論預(yù)言的一類非常獨(dú)特的時(shí)空結(jié)構(gòu)。它在我們觀測(cè)的宇宙中主要有兩類存在形式，一種是100倍太陽質(zhì)量以下的恒星級(jí)黑洞，它們是大質(zhì)量恒星演化到晚期死亡的產(chǎn)物。

另一類是100萬倍太陽質(zhì)量以上的超大質(zhì)量黑洞，它們位于星系的中心。蔣凝表示，超大質(zhì)量黑洞的物理起源并不明確，最早是20世紀(jì)60年代為了解釋類星體巨大的能量輸出而被提出的，后來被近鄰宇宙的恒星或者氣體動(dòng)力學(xué)研究所證實(shí)。

“此外，還有一些極亮X射線源可能是100倍至幾十萬倍太陽質(zhì)量的中等質(zhì)量黑洞。”中科院國家天文臺(tái)研究員、中國科學(xué)院大學(xué)教授、國家天文臺(tái)恒星級(jí)黑洞研究創(chuàng)新小組負(fù)責(zé)人、基普·索恩天文學(xué)通識(shí)著作《星際穿越》譯者之一茍利軍表示。

超大質(zhì)量黑洞的形成和增長是目前的一個(gè)熱點(diǎn)問題。當(dāng)這些超大質(zhì)量黑洞劇烈吸積物質(zhì)的時(shí)候，會(huì)將物質(zhì)的引力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為輻射釋放出來，表現(xiàn)為活動(dòng)星系核（簡(jiǎn)稱AGN）。

有意思的是，世紀(jì)之交，人們發(fā)現(xiàn)超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量與它們所寄居的星系的性質(zhì)緊密相關(guān)，強(qiáng)烈暗示它們是共同成長與演化的。

有人可能會(huì)問，黑洞不是光都無法逃逸的嗎？為什么我們還可以觀察到一些黑洞的信息？

實(shí)際上，黑洞的結(jié)構(gòu)包括視界面以內(nèi)的自身部分，以及冕和吸積盤等外部結(jié)構(gòu)。“如果光進(jìn)入視界面，確實(shí)就無法逃脫黑洞的魔爪。”蔣凝說道，“但是在物質(zhì)還沒進(jìn)入到視界面之前，我們?nèi)匀豢梢钥吹奖缓诙次e的物質(zhì)落向黑洞的過程中的輻射。由于具有角動(dòng)量，物質(zhì)并不會(huì)徑直掉到黑洞里，而是沿螺旋線轉(zhuǎn)著飛進(jìn)去，這樣就形成了一個(gè)吸積盤。”

不同的情況下，吸積盤的形式有區(qū)別。蔣凝介紹：“類星體的吸積被認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)薄盤。而我們銀河系中心的黑洞的吸積率比較低，大家猜測(cè)它是一個(gè)徑移主導(dǎo)吸積盤。”

黑洞的吸積過程能產(chǎn)生多波段的光子，甚至可以說幾乎能釋放全波段的輻射，從X射線、紫外、光學(xué)、紅外到射電都有。

“其中X射線光子根據(jù)能量高低分成硬X射線和軟X射線，它們?cè)诤诙次e的物理過程中主要產(chǎn)生的區(qū)域和機(jī)制是不同的。軟X射線一般認(rèn)為來自吸積盤的熱輻射，而硬X射線來自吸積盤的軟光子打到盤上面的冕，經(jīng)過逆康普頓散射到更高能量產(chǎn)生的。”蔣凝說。

3.黑洞捕手

那么，有哪些觀測(cè)手段可以用來探尋上面的黑洞線索呢？

由于黑洞吸積過程產(chǎn)生的輻射是多波段的，因此對(duì)它的研究也是多種多樣的。

筆者從蔣凝處了解到，雖然恒星級(jí)黑洞最早是通過X射線發(fā)現(xiàn)的，但是作為類星體中心引擎的超大質(zhì)量黑洞其實(shí)最早是在射電波段發(fā)現(xiàn)的，因此射電天文望遠(yuǎn)鏡也是研究黑洞的常用手段，比如黑洞視界面望遠(yuǎn)鏡。

除此之外，我們最熟悉的地面光學(xué)望遠(yuǎn)鏡等更是可以對(duì)黑洞進(jìn)行常規(guī)的發(fā)現(xiàn)和研究，比如美國的斯隆數(shù)字巡天項(xiàng)目（SDSS）就發(fā)現(xiàn)了成千上萬的類星體。

說到黑洞觀測(cè)，就不得不談視界面望遠(yuǎn)鏡EHT，這是一個(gè)由12個(gè)國家30多所大學(xué)和天文臺(tái)站參與的國際聯(lián)合項(xiàng)目，通過以甚長基線干涉技術(shù)VLBI聯(lián)合全球的8臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡形成一口徑等效于地球直徑的虛擬望遠(yuǎn)鏡，進(jìn)行超高空間分辨率的射電成像來探測(cè)銀河系中心的黑洞視界面。

視界面望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)目標(biāo)為超大質(zhì)量黑洞人馬座A*和M87星系中央的超大質(zhì)量黑洞。2017年4月，視界面望遠(yuǎn)鏡首次連線觀測(cè)人馬座A*。

視界面望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃的提出使得人類第一次有機(jī)會(huì)直接給黑洞拍一張能分辨的照片。黑洞是否真實(shí)存在？視界面、吸積盤和冕上的細(xì)節(jié)是怎樣的？諸如此類的問題終于有了正面回答的機(jī)會(huì)。

近年來，隨著自主天文儀器的巨大進(jìn)步，我國在黑洞觀測(cè)領(lǐng)域也逐漸步入國際舞臺(tái)。蔣凝談到，我國早期黑洞研究偏向于理論方面，比如吸積盤理論等。現(xiàn)在，一些前沿設(shè)備正在積極參與黑洞觀測(cè)。比如2017年上天的硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡（HXMT，又稱慧眼衛(wèi)星），就用來捕捉類似MAXI J1820+070這樣的X射線耀發(fā)事件。

慧眼衛(wèi)星，是中國第一顆大型空間X射線探測(cè)天文衛(wèi)星。它既可以實(shí)現(xiàn)寬譜段、高靈敏度、高分辨率宇宙X射線巡天、定點(diǎn)和小天區(qū)觀測(cè)的空間X射線天文觀測(cè)，同時(shí)也具有高靈敏度的伽馬射線暴全天監(jiān)視儀。其命名涵義之一是為了紀(jì)念推動(dòng)中國高能天體物理發(fā)展的已故科學(xué)家何澤慧。

2017年6月15日，HXMT衛(wèi)星發(fā)射成功，開展科學(xué)觀測(cè)。2018年1月30日，中國首顆X射線天文衛(wèi)星“慧眼”正式交付，投入使用。在軌一年多來，“慧眼”已經(jīng)探測(cè)到伽馬暴、兩個(gè)太陽大小的中子星合并引起的引力波事件等多個(gè)天文事件，取得了豐富的成果。

另外，中科院“十三五”先導(dǎo)專項(xiàng)衛(wèi)星愛因斯坦探針（EP）著眼于軟X射線波段，預(yù)計(jì)將于2022年前后上天。蔣凝介紹道，這個(gè)衛(wèi)星特別適合捕捉黑洞潮汐摧毀并吞噬恒星產(chǎn)生的X射線暫現(xiàn)爆。

茍利軍認(rèn)為，包括黑洞內(nèi)部的結(jié)構(gòu)、奇點(diǎn)、對(duì)黑洞樣貌的直接觀測(cè)等，都是黑洞研究的當(dāng)前熱點(diǎn)問題。另外，理論上銀河系內(nèi)的黑洞應(yīng)該有上億個(gè)，但是目前只找到了上百個(gè)，大多數(shù)黑洞在什么地方也是困擾人們的問題。

隨著越來越多的高精度先進(jìn)觀測(cè)設(shè)備的服役，一個(gè)又一個(gè)黑洞相關(guān)的科研問題將在科學(xué)家面前揭開謎底。