见证人类第一张黑洞照片:宇宙“巨兽”露真容

2019-04-11 09:22:00 作者:科学大家 出处 : 论坛

  出品| 新浪科技《科学大家》

  撰文| 郭福来 中国科学院上海天文台研究员,博士生导师,“黑洞反馈与宇宙线天体物理”研究团组首席科学家

  北京时间4月10日,事件视界望远镜(EHT)国际合作项目宣布:首张黑洞照片面世!并在全球六地(比利时布鲁塞尔、智利圣地亚哥、中国上海和台北、日本东京和美国华盛顿)以英语、西班牙语、汉语和日语四种语言,召开全球新闻发布会。

  《天体物理学杂志通信》于4月10日以特刊的形式通过六篇论文发表了这一重大结果。该黑洞图像揭示了室女座星系团中超大质量星系M87中心的黑洞。该黑洞距离地球5500万光年,质量为太阳的65亿倍。

  这是一场堪称史无前例黑洞“摄猎”!这是事件视界望远镜国际合作项目于2017年观测,历时近2年时间分析产生的重大科学成果,共有两百多名科学家、工程师和技术人员参与其中,调动了散布于全球的 9 个天文台的力量。

  我们是多么幸运,成为了见证首张黑洞照片诞生的第一批人类!

  什么是黑洞?

  引力波和黑洞都是爱因斯坦广义相对论的理论预言,早在1915年,爱因斯坦发表了划时代的理论:广义相对论,并于次年用这个理论预言了引力波。此后,他花了近二十年的研究才相信引力波是真实的,而人类更是在近百年之后才首次探测到引力波。而引力波与黑洞的相关理论工作都是在同一年(即1916年)发表的。在那一年,德国物理学家卡尔·史瓦西解出了广义相对论的第一个精确解:史瓦西解,也就是我们现在所知道的静态、球对称的史瓦西黑洞。

  史瓦西

史瓦西

  在这之后的几十年中,黑洞的研究进展缓慢,没有人知道在广袤宇宙中是否真实存在着史瓦西解对应的天体,大多数学者都只是对这个解的理论或数学结构感兴趣。1939年,奥本海默和斯奈德发现球对称的大质量恒星在其核能耗尽后会在引力作用下直接塌缩向中心。1958年,芬克尔斯坦作出了突破性贡献,发现在史瓦西半径(黑洞的一个特征半径,也叫引力半径或事件视界)之内,任何粒子和光都无法逃离黑洞。因此,从大约1963年开始,史瓦西解对应的天体开始被称为黑洞,尤其是在1967年被普林斯顿大学著名物理学家约翰·惠勒采用后,“黑洞”这个词变得广为流行。

  从1970年左右开始,天文学家逐渐在宇宙中找到黑洞可能真实存在的观测证据。天文学家发现的黑洞候选体大体上可以分成两大类别:恒星质量黑洞与超大质量黑洞。对于质量位于它们之间的中等质量黑洞,目前的观测证据则要少很多。

  2015年,人类首次探测到了来自宇宙中的引力波,引力波的探测可以说是近几年物理与天文学界最重大的突破之一。它不仅进一步验证了广义相对论,而且还对引力波与黑洞的存在给出了关键的观测证据。因此,对这个项目起到决定性作用的三位科学家迅速在2017年获得了诺贝尔物理学奖。这次引力波信号持续时间不到1秒,天文学家相信它来源于两个质量分别约为30和35倍太阳质量黑洞的碰撞并合。这和理论预期是一致的,广义相对论的计算告诉我们当运动的质量拥有变化的加速度时会辐射引力波。在绝大多数情况下,引力波辐射是非常微弱的,而两个互相绕转的致密天体(如黑洞和中子星)正是天然的引力波源,其在并合前辐射的引力波就相对比较强。

  LIGO与引力波(图片来源:MIT TECHNOLOGY REVIEW)

LIGO与引力波(图片来源:MIT TECHNOLOGY REVIEW)

  近几年引力波事件中探测到的黑洞是恒星质量黑洞,质量大概在数倍到数十倍太阳质量之间。对于这类黑洞,我们已经有了较好的了解,我们相信它们是大质量恒星演化的最终产物。按照估计,银河系大约有千亿颗恒星,其中大质量恒星寿命比较短,多数应该都已经演化成黑洞,银河系中估计大约有1亿颗恒星质量黑洞。目前人类在银河系中只探测到几十颗这类黑洞候选体,其中离我们最近的黑洞麒麟座V616离我们大约有3000光年。

  黑洞接近太阳系的想象图 来源:Spaceanswers网站

黑洞接近太阳系的想象图 来源:Spaceanswers网站

  如果有未知黑洞靠近我们的家园太阳系,可能会把一些外太阳系的小天体散射进入内太阳系;如果黑洞进入太阳系,它甚至会影响地球的运行轨道,给地球生命带来灾难性影响。黑洞吸积过程产生的高能辐射与喷流也可能对地球产生重大影响。

  超大质量黑洞:星系中心的巨兽

  超大质量黑洞及其吸积盘的艺术想象图 来源:Space Engine

超大质量黑洞及其吸积盘的艺术想象图 来源:Space Engine

  此次事件视界望远镜(EHT)国际合作项目探测的两个黑洞分别是银河系中心黑洞和位于室女座方向的椭圆星系M87中心的黑洞,这两个黑洞都属于超大质量黑洞。

  超大质量黑洞的质量通常介于百万到百亿倍太阳质量之间,其典型值是数亿倍太阳质量。从理论上来说,黑洞的质量都集中在中心密度无穷大的奇点,奇点之外是弯曲纠缠的时空。但如果把黑洞的引力半径看成黑洞的大小,那么质量越大的黑洞就显得越“虚胖”。对于十倍太阳质量的恒星质量黑洞,其引力半径大约是三十公里,接近于上海崇明岛的大小,非常致密且其平均密度超过中子星的物质密度。对于1亿倍太阳质量的超大质量黑洞,其引力半径已经增大到太阳与地球距离的两倍,平均密度却仅相当于地球上水的密度,也和太阳的平均物质密度相当。

  目前观测到的超大质量黑洞基本都位于星系的中心区域。我们银河系中心就有一个大约四百万倍太阳质量的黑洞,在超大质量黑洞中属于比较小的,其引力半径大约是日地距离的十分之一。

  银河系银盘示意图——来源:中科院国家天文台

银河系银盘示意图——来源:中科院国家天文台

  作为宇宙的基本结构单元,星系是黑暗广袤宇宙中的明亮岛屿,其中含有大量暗物质、恒星、气体等物质。银河系中大约有千亿颗如太阳般因中心核聚变发光的恒星。此外,天文学家相信每个大质量星系中心都有一个超大质量黑洞。

  超大质量黑洞经常被称为宇宙巨兽,但这应该不是因为它们的体积。对于一个典型的1亿倍太阳质量的超大质量黑洞,其引力半径大约等于400倍的太阳半径,仅仅只是星系中相邻两个恒星平均距离的十万分之一。超大质量黑洞之所以被称为宇宙巨兽,主要是因为它们的质量巨大,达到百万到百亿倍太阳质量,并且它们对星系的影响巨大。超大质量黑洞可以主导比其引力半径大千万倍的星系中心区域的引力,产生的能量爆发足以深刻影响比其引力半径大十亿倍以上的星系中的气体分布和恒星形成。

  如果把星系缩小成地球大小,那么其中心的超大质量黑洞大约只有一粒花生米大小。但这个位于“地球”中心的“小花生米”在“进食”(吸积物质)过程中产生的能量爆发却深刻影响到了整个“地球”上的气候变化(气体运动)和生命成长(恒星形成)。超大质量黑洞对星系的影响,一般被称为反馈作用,是当前天文学研究的热点前沿方向之一。

  宇宙巨兽的休眠与爆发

  那么,超大质量黑洞是怎么通过反馈机制影响到整个星系的演化呢?超大质量黑洞因为其强大的引力可以吸积运动到其附近的物质,如气体、恒星等。被吸积的物质通常拥有角动量,会环绕黑洞形成旋转的吸积盘或比较厚的吸积流,其中一部分物质最终会进入黑洞。因为黑洞的致密性与强引力,黑洞吸积过程会释放大量的引力能,转化为被吸积物质的动能,其中一部分动能会因为气体间的“摩擦”或磁场的作用耗散为气体内能。黑洞吸积过程可能是已知宇宙中能量转化效率最高的物理过程,其能量转化率是热核聚变能量转化率的数十倍。

  黑洞吸积过程与能量释放的三种方式(郭福来制图)

黑洞吸积过程与能量释放的三种方式(郭福来制图)

  黑洞吸积过程释放能量的方式主要有三种,包括光辐射、准直性很好的喷流、和张角较大的外流。光辐射与外流可以对超大质量黑洞的周边环境产生强烈影响,而喷流与强外流则可以传播到星系甚至更大空间尺度上。因此,这些释放的能量与星系内的气体相互作用,可能直接影响黑洞吸积流(如外流改变了黑洞吸积率),影响了对黑洞吸积系统的物质供给,甚至影响了星系中的气体动力学与恒星形成。

  M87星系中心黑洞的射电喷流反馈 来源:美国国家射电天文台

M87星系中心黑洞的射电喷流反馈 来源:美国国家射电天文台

  目前黑洞反馈作用最直接的观测证据在星系团中。位于星系团中心的超大质量黑洞在吸积物质的过程中,释放出强力的射电喷流,并在星系团内区产生半径达数千到数十万光年的大气泡。这些大气泡中含有大量在喷流中被携带或加速的高能粒子,产生可观测的射电辐射。星系团中含有大量能产生X射线辐射的热气体,而喷流产生的射电气泡可以排开其周边的星系团气体,在星系团的X射线图中产生X射线辐射明显偏弱的空洞和激波、声波等结构。观测发现黑洞喷流传递给星系团气体的能量足以弥补其因X射线辐射而损失的能量。

  因为强烈的能量释放,处于吸积物质阶段的超大质量黑洞可以被称为爆发中的宇宙巨兽。相对应的,停止吸积物质或吸积率非常低的超大质量黑洞可以被称为休眠中的宇宙巨兽。黑洞因为“进食”而爆发,因此爆发中的宇宙巨兽也正在积极成长中。

  一个超大质量黑洞在其成长历程中很可能经历了多个“爆发-休眠-爆发”的周期性轮回。在银河系的近亿颗恒星质量黑洞中,目前仅有二十多颗因为产生X射线辐射(“爆发”)而被人类探测到,说明大部分恒星质量黑洞在休眠中。同样的,近邻宇宙中的大部分超大质量黑洞也在休眠中。我们知道宇宙一直在膨胀中,过去的宇宙中的物质更加密集,星系中的气体含量也更高,而超大质量黑洞的爆发也很可能比今天的宇宙更加频繁。

  人马座A*超大质量黑洞 来源:NASA

人马座A*超大质量黑洞 来源:NASA

  银河系中心黑洞–人马座A*

  至今为止,超大质量黑洞存在的最强证据是我们银河系中心的超大质量黑洞 – 人马座A* (Sagittarius A*)。这也是离我们地球最近的超大质量黑洞,它最早是1974年在射电波段被观测到的,位于人马座,后面的星号“*”主要是用来表示这是一个激动人心(exciting)的观测信号,在原子物理中也常被用来代表原子的激发态(excited states)。人马座A*是事件视界望远镜对黑洞进行拍照的两个超大质量黑洞之一。

  在人马座A*附近,有一些大质量恒星绕着它做开普勒运动。近二十多年来,德国和美国的几个研究团组一直在跟踪这些恒星的运行轨道,并由此确定在位于射电源人马座A*的接近太阳系大小的极小空间范围内存在着大约四百万倍太阳质量的天体,按人类现有的知识几乎只能用超大质量黑洞来解释。这是事件视界望远镜对黑洞进行拍照之前超大质量黑洞存在的最好观测证据。

  银河系费米气泡 来源:NASA

银河系费米气泡 来源:NASA

  近期的观测确实找到了人马座A*在过去曾经经历过爆发期的可能证据。2010年国际十大物理事件之一是内银河系中费米气泡的发现。这是在高能量的伽马射线波段发现的、位于银河系中心上下的两个巨大椭圆形气泡。每个气泡沿着银河系对称轴方向的长度大约有3万光年,和银盘上太阳与银河系中心的距离相当。目前天文学界对费米气泡的起源还没有定论,但最可能的应该是起源于人马座A*的能量爆发。笔者在2011年提出源自银河系中心黑洞的喷流可以自然产生费米气泡,这是费米气泡起源于人马座A*的第一个模型。

  在我们最新的模型中,产生费米气泡的喷流发生在数百万年前,持续了约1百万年的时间,当时人马座A*的吸积率大约是每1万年吸积大约1个太阳质量的物质,是当前其吸积率的一万倍。在更久远的过去,人马座A*很可能还经历过吸积率更高的爆发期,因为这个吸积率尚不足以在宇宙年龄内单靠吸积产生如今质量的银河系中心黑洞。

  目前人马座A*处于休眠期,其物质吸积率大约只有每1亿年吸积1个太阳质量的物质。如果人马座A*在过去的吸积率也一直如此,那么它需要吸积400万亿年才能达到今天的质量(400万倍太阳质量),这个时间远远超过当今宇宙的年龄(138亿年)。这个论证可以说明银河系中心黑洞在过去肯定经历过成长很快的爆发期。

  作为首次看到黑洞真身的碳基生命:人类,我个人觉得无比幸运。不过,这仅仅是一个开始,事件视界望远镜对M87和银河系中心黑洞于2017年都进行了观测,4月10 日公布的只是其中一个,另一个的数据处理分析还在进行中。未来的观测更可期待,人类将以前所未有的精度严格检验爱因斯坦提出的广义相对论,探索靠近黑洞引力半径附近的吸积流与外流物理。

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