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在大小尺度上,探索黑洞的极致力量

作者: 来源: 时间:2020-10-08

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在大小尺度上,探索黑洞的极致力量

原理 原理 2020-05-28



黑洞是宇宙中最神秘的天体之一,其引力强大到足以完全扭曲周围的时空。任何东西(包括光)一旦落入黑洞的事件视界,都无法逃脱。我们之所以能够确定黑洞是真实存在的,是因为在它们周围释放的大量能量可以产生能被探测到的信号,即便这些信号需要数百万年才能到传达到我们的探测器中。


在所有的信号中,X射线是许多天文学家感兴趣的。而在X射线天文学领域中,天体物理学家安德鲁·费边(Andrew Fabian)无疑是一位领军者。他的研究跨越高能天体物理学的许多领域,而他尤为密切地关注由位于明亮星系中心的超大质量黑洞所发出的X射线,他以此来研究超大质量黑洞对其周围空间的影响。他的理论和观测揭示了这些黑洞在星系和星系团的演化过程中所起到的作用。


鉴于费边的许多开创性研究,以及他对黑洞在大尺度和小尺度上如何影响其周围星系这一奥秘的不懈追求,他被授予了2020度的科维理天体物理学奖(Kavli Prize in Astrophysics)


 剑桥大学的安德鲁·费边是当代最多产、最富影响力的天文学家之一。在大尺度领域,他在揭示在星系团中的星系际气体的加热和冷却机制扮演着重要角色;在小尺度领域,他预测并与他人共同发现了来自黑洞周围的高速X射线光谱发射,并由此发展出一种强大的测量黑洞自旋的方法。费边广博的知识和对不同尺度的深刻见解,为这些不同现象究竟是如何相互联系的提供了关键的物理理解。| 图片来源:kavliprize.org



天文学家认为,几乎所有星系的中心都隐藏着一个超大质量黑洞。与由大质量恒星坍缩形成的恒星级黑洞相比,超大质量黑洞的质量有时可以达到数十亿倍的太阳质量。


超大质量黑洞的巨大引力会将围绕在它周围的大量气体拉入它的掌控范围。大部分经过长途跋涉后到达黑洞附近的气体并不会“正中目标”地落入黑洞中,而是稍微掠过黑洞,然后再被黑洞回拉入一个螺旋轨道。这导致在黑洞的周围形成了一个薄薄的“吸积盘”,吸积盘中的粒子发生碰撞后会释放能量,而其中大部分能量都处于X射线频段。


 黑洞周围的炙热吸积盘会释放出大量辐射。


我们在地表上是看不见这些来自宇宙深处的X射线的,因为大气会将它们阻挡,科学家只能从太空中观测它们。在20世纪70年代早期,研究人员首次测量了来自一个名为天鹅座X-1的类黑洞源的辐射,在那之后,又有一系列更精密的X射线卫星被发射升空。


1995年,费边和他的同事报告了他们在一些探测到的X射线中发现黑洞为吸积盘提供动力的迹象:在几个非常明亮的星系中,他们注意到X射线光谱中的铁线比预期的要宽,而且其频率比预期的略低。他们将这解释为是由广义相对论所导致的一种效应,费边和其他研究人员在更早的时候预测了这种效应——从外部测量时,靠近强引力源的时间会变慢


 活跃星系NGC 1275是众所周知的一个射电源(英仙射电源A),该星系的中心存在一个黑洞,是一个很强的X射线源。| 图片来源:G. Taylor/VLA/NRAO/CXC/NASA & A. Fabian/Hubble Heritage/ESA


基于这一研究,费边发现可以测量到黑洞附近的两种截然不同的X射线发射,一种是由吸积盘直接产生的,还有一种是由其他接近黑洞的热电子在从吸积盘被弹回到空间中之前产生的。通过测量这两种发射之间的延时,他们绘制出了吸积盘中的气体,并测得了黑洞的自旋速度。



除此之外,费边还利用X射线的数据来研究黑洞在更大距离上的影响。他提出了一个困扰了天文学家数十年的问题,即星系团中的星系际气体是从哪里获得能量的?他为这个问题找到了一个解答。在某些明亮的星系团中,星系之间的气体温度应该低到足以聚集在一起形成新的恒星。但天文学家并没有观测到这种类型的恒星形成,而且他们测量到的气体温度比它们在没有额外能量来源的情况下本该有的温度高出数百万度。


 英仙座星系团中心的周围围绕着被加热了的气体,由钱德拉卫星所拍摄的X射线图像。| 图片来源:A.Fabian et al/IoA/CXC/NASA


从几张由钱德拉卫星拍摄到的英仙座星系团的X射线图像中,费边和他的同事发现了一些线索。这些图像显示了星团内部的一系列特征,包括中央的黑暗区域,以及向外扩散的波纹。


 英仙座星系团中心的黑色区域以及向外扩散的波纹(或声波),中央的白色亮点代表黑洞。| 图片来源:M. Weiss / NASA


费边认为,这类特征是由于能量从中心的黑洞向周围气体转移而产生的。其想法是,那些黑色区域是当物质喷流从黑洞中以垂直的角度喷射到吸积盘时与气体相撞而形成的气泡。随后产生的巨大压力以一系列声波的形式向外传播,使气体升温。


这项工作为费边赢得了一项吉尼斯世界纪录:他发现了“宇宙中最深沉的音符”——一个比中央C低了57个八度的降b调,这是一种没有人能听到的声音。但这项研究也强调了黑洞在星系演化中所扮演的核心角色,在这种情况下,黑洞通过产生负反馈来限制自身和周围恒星的成长。这或许也解释了为何星系的质量与寄居在它们中心的超大质量黑洞的质量有关


这种黑洞反馈的想法现在被广泛接受。更重要的是,费边发现那些在质量更小的星系中的黑洞也能传递能量,但传递得更为直接,这种情况下的黑洞所产生的强烈的X射线和紫外线辐射,可以将尘埃气体推离出宿主星系。


关于这些过程的一些细节仍有待填补,比如黑洞的自旋对加热的影响程度。但抛开这些细节不谈,现在天文学家已经明确,黑洞是加热星系际气体的中央引擎。科维理天体物理学委员会主Viggo Hansteen说:“每当解决一个问题,就会有其他问题浮现,但一个核心的问题——‘是什么在加热气体?’已经得到了解决。”



参考来源:
http://kavliprize.org/prizes-and-laureates/prizes/2020-kavli-prize-astrophysics
http://kavliprize.org/prizes-and-laureates/laureates/andrew-fabian
http://www.nbcnews.com/id/3077738/ns/technology_and_science-space/t/black-hole-sings-deepest-b-flat/
https://www.nasa.gov/centers/marshall/multimedia/photos/2003/photos03-152.html

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