黑洞和类星体,它们让天文学家感到困惑不解

黑洞听起来像是直接从科幻小说中出来的:它们是密度非常之大物体,以致于宇宙中没有任何东西能逃脱它们的引力。但在过去的几十年里,天文学家们一直在不断地积累证据,证明黑洞不仅是真实存在的,而且事实上在宇宙中相当普遍。

NGC 4258星系中有一个超大质量的黑洞。这场银河烟花表演发生在NGC 4258星系(也被称为M106星系),这是一个像银河系一样的螺旋星系。这个星系之所以出名,是因为它拥有我们的星系没有的,两个额外的在x射线下发光的螺旋臂(蓝色的,NASA的Chandra x射线天文台观测),还有可见光和射电光。无线电数据显示,NGC 4258星系中心的超大质量黑洞正在产生强大的高能粒子喷流。现在人们认为几乎所有的星系中心都有巨大的黑洞,其质量是太阳的数百万倍甚至数十亿倍。

这些黑洞中有的是宇宙中最暴力的和最有活力的物体——活跃的星系核和类星体,它们击落飞机,即使他们吸收周围的气体,而其他经常旧像银河系中心的黑洞,多安静的喂食器。这些野兽中的一些是宇宙中最暴力和最有活力的物体——活跃的星系核和类星体,它们在吸入周围气体的同时也会喷出喷流;而另一些,比如银河系中心的黑洞,则是相当安静的喂食者。星系也被认为包含许多小黑洞的例子,它们的质量只比太阳的质量大几倍。天文学家们通过观察它们的伴星被撕碎时发出的光,已经在银河系中发现了其中的一小部分双星系统中的恒星。这些小黑洞中有几个被称为“微型黑洞”,因为它们产生的微型喷流与它们的大黑洞相似。

黑洞理论

虽然黑洞的概念首次提出是在1783年,但正是阿尔伯特·爱因斯坦1915年提出的广义相对论为这一概念奠定了坚实的理论基础。爱因斯坦证明了引力可以弯曲光的路径,就像它可以弯曲任何其他移动物体的路径一样——我们在日常生活中没有观察到这种效应的唯一原因是光的移动速度快,而引力的作用弱。当观测结果证实了这一点是,黑洞的想法就变得很明显了。如果你把足够多的材料打包在一起,它的引力应该足够强大,不仅能弯曲光的路径,还能阻止光的逃逸,就像地球的引力足够强大,能把比它慢得多的物体(如棒球)拉回它的表面一样。

黑洞的形成

来源:Alain Riazuelo

黑洞模拟。大麦哲伦星云前黑洞的模拟图。黑洞史瓦西半径和观察者到它的距离之比是1:9。值得注意的是被称为爱因斯坦环的引力透镜效应,与实际的角度大小相比,它产生了两组相当明亮、大但高度扭曲的云团图像。常规黑洞被认为是由重星形成的(也许是那些一开始质量是太阳的20或25倍的恒星,但这仍然是一个活跃的研究领域)。当这些恒星在超新星爆炸中结束生命时,它们的核心会坍塌,重力会战胜任何可能支撑恒星的力量。

最终,恒星坍缩得如此之大,以至于它被包含在史瓦西半径内,也就是视界内,在这个边界内光线无法逃逸。此时,黑洞非常小;一个有太阳质量的黑洞可以容纳一个小镇,而一个有地球质量的黑洞可以容纳你的手掌!史瓦西半径内的物质将继续无限地坍塌,达到我们对物理定律的理解崩溃的程度。但是史瓦西半径内的任何信息都不能逃到外面的世界。

与此同时,超大质量黑洞以不同的方式形成——也许是由宇宙早期的许多小黑洞合并而成——并随着它们从周围环境吸收气体而成长。这些天体的形成以及它们与庇护它们的星系之间的关系仍然是一个活跃的研究领域。

观测黑洞

大量的光

来源: ESO/L. Calçada/M.Kornmesser

艺术家对恒星黑洞的印象。结合欧洲南方天文台的超大望远镜和美国宇航局的钱德拉x射线望远镜的观测结果,天文学家们发现了迄今为止从恒星黑洞中观测到的最强大的一对喷射流。这个黑洞释放出一个巨大的热气泡,直径1000光年,是其他类似微类星体的两倍,威力是它们的几十倍。在这幅艺术家的印象中,恒星黑洞属于一个双星系统。我们不能直接观察黑洞,但我们确实看到了它们对周围物质的影响——气体和尘埃在被吸进黑洞或被喷流甩出去之前,会发出最后一口气。事实上,黑洞在将入射物质的能量转化为发射出的光方面效率极高。落入黑洞的气体不会直接扎进去,就像地球不会扎进太阳一样。相反,它试图在黑洞的轨道上移动,形成所谓的吸积盘。

吸积盘中的物质由于摩擦而失去能量,慢慢地向内螺旋运动——黑洞附近的巨大引力潮汐非常善于撕裂这种物质,并将其加热到高温。超大质量黑洞的内部圆盘达到了数千开氏度(类似于一颗热恒星表面的温度),而较小的黑洞可以将它们的圆盘加热到数百万度,在那里它们发出光谱中的x射线。

因此,黑洞是周围最明亮的物体之一。类星体可以在可见宇宙的边缘附近被探测到,它们在那里用数万亿太阳的光发出光芒,而我们星系中的微类星体很容易比太阳亮数十万倍,尽管它们的质量通常只有太阳的10倍。

快速变化

来源: ESO/M. Kornmesser

艺术家对遥远的类星体ULAS J1120+0641的印象。这幅艺术家的印象展示了ULAS J1120+0641,一个由质量是太阳20亿倍的黑洞驱动的非常遥远的类星体可能的样子。这个类星体是迄今为止发现的最遥远的类星体,被认为是大爆炸后7.7亿年的产物。这个物体是迄今为止在早期宇宙中发现的最亮的物体。由于黑洞很小,它们的亮度变化很快。在吸积盘内部进行的复杂过程经常是高度可变的,这导致了光的发射量的快速变化。最小、最活跃的黑洞——微类星体——可以在短短几秒钟内将亮度提高一倍,并显示出在更快的时间尺度上存在变化的证据,在某些情况下,这种变化可达每秒数百次。

高能喷射

黑洞将物质吸向它们,但有些物质会被吐出来,而不是被吞噬掉。许多黑洞喷射出的喷流以接近光速的速度远离吸积盘。这些喷流最引人注目的是在邻近星系的中心(例如M87)观测到的,但也出现在微类星体中——以快速、巨大的能量喷射和喷流,就好像有人拍下了一段类星体喷流的图片,然后按下了快进键。

这些喷流形成的流程不是很清楚,但似乎需要磁场的存在使吸积盘的不稳定性,使材料向上扔,以及快速旋转的黑洞,可以养活他们的一些能量磁场和喷射材料本身。

作者: astro

FY: 橙摇光

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