黑洞连光都能吞噬,为什么超大质量黑洞“人马座 A*” 会发光?

原标题:黑洞连光都能吞噬,为什么超大质量黑洞“人马座 A*” 会发光?

宇宙观测史再翻新一页!

2022年5月12日,事件视界望远镜 (EHT) 项目揭示了超大质量黑洞人马座 A* (Sagittarius A*)的第一张图像,这是我们银河系中心的神秘宇宙巨兽。

这里可能有人有些疑问:黑洞是宇宙引力极强的天体,任何东西,甚至光都无法从中逃脱。所以,黑洞应该是黑色的或者黑暗的,并且无法成像。那么为什么超大质量黑洞“人马座 A*”的图像显示它会发光?

正如事件视界望远镜公布的那样,我们可以对黑洞进行成像。但这些图像显示的是黑洞在更明亮的背景下的阴影,你看到的光不是来自黑洞本身,而是来自它周围称为“吸积盘”的区域。这是一种向内落下的吸积盘状物质结构,被黑洞的引力拉向末日。一旦它越过事件视界或不归路,它就会从视野中消失。但在事件视界之外,我们仍然可以看到它,以及它发出的任何光。

黑洞构建吸积盘吞噬宇宙物质!

黑洞为什么会有吸积盘?难道所有下落的东西都不能一下子全部进入黑洞吗?答案:不能。因为宇宙中的一切都有自己的动量,特别是角动量,它不能直接落入黑洞的大口中。相反,它必须首先失去这种动量,它通过旋转成一个吸积盘来实现这一点,越来越近,直到它最终穿过事件视界并消失。

ps:为什么不是吸积球?因为球体总是塌陷成吸积盘,球体的轨道相互交叉,因此不同轨道的粒子发生碰撞。只有当所有相互冲突的角动量都被抵消并且所有粒子都在一个平面上运动时,它们才会停止碰撞。每当任何云团围绕黑洞或围绕其自身的质心坍塌时,它必须始终形成一个吸积盘,这也是为什么太阳系中的行星几乎是共面的。

这背后的物理原理很复杂,但简单来说,如果一个黑洞正在积极地吞噬物质,比如来自一颗伴星,那么物质会从它围绕黑洞的角动量形成一个扁平的圆盘。随着物质靠近黑洞的事件视界,从黑洞中心奇点到逃离黑洞引力所需的速度超过光速的距离,物质以更大的速度绕黑洞运行。

不管这种材料以前是什么,当它进入吸积盘时,它已经变成了热电离等离子体,当它在吸积盘中加速时会释放出大量的辐射。这种辐射能够在被吸入黑洞之前逸出,由于光不能从事件视界本身出来,在这种极强的射电辐射中,你可以在中心看到一个完全的空洞或阴影,来自黑洞的光它后面的吸积盘被黑洞周围的强烈引力弯曲,在它周围形成一种光晕。而宇宙的奇妙之处在于,光永远不会在黑洞之外消失。

更重要的是,直接来自吸积盘的光不是恒定的,它会随着时间尺度的变化而闪烁,从小的恒星质量黑洞的几分钟和几小时到位于星系中心的超大质量黑洞的几周或几个月不等。这种闪烁是随机的,天文学家怀疑这可能是由于吸积盘内的过程造成的,例如高湍流区域,甚至是接近或落入黑洞的物质团块。

还有一点,这种变化率虽然随机,但与黑洞的质量成比例。也就是说,具有较大吸积盘的质量较大的黑洞,比具有较小质量和较小吸积盘的黑洞变化得更慢。

这也是为什么EHT 团队早在2017年同时观测 M87 星系的超大质量黑洞和人马座 A*,公布的成像时间却相差3年。原因就是人马座 A* 的质量比 M87 小 1500 倍,黑洞附近的气体在人马座 A* 和 M87* 周围以相同的速度移动几乎与光速一样快。气体在较大的 M87* 轨道上运行需要数天或数周时间,在小得多的人马座 A* 中,它只需几分钟。变化越快,拍一张清晰的照片就越难,需要开发更复杂技术去捕捉它。

银河系中心的人马座 A*,可能“营养不良”?

观测表明,人马座 A*质量大约是430 万个太阳质量,距离地球 27000 光年,其吸积盘的直径相当于太阳直径的 30 倍。

2019 年,使用阿塔卡马大毫米/亚毫米阵列 (ALMA) 的研究人员宣布,他们首次发现了这个吸积盘在无线电波长下发出微弱的光。人马座 A*的吸积盘包含的质量小于我们的太阳——大约 0.00001 和 0.0001 个太阳质量,这使得科学家估计每年落入黑洞的物质质量小于矮行星谷神星。

也就是说, 人马座 A*是一个非常安静、营养略显不足的超大质量黑洞。因此天文学家怀疑,基于称为费米气泡的结构,它的最后一顿大餐可能是在 500 万到 900 万年前,当时它吞下了大约 100 个太阳质量的物质。从那以后,它一直在慢慢地清理周围的环境,优雅而缓慢地吞噬物质。

这对于银河系等较老的星系来说是正常的,它们可能仍在形成恒星,但在结构和恒星形成率方面相对稳定。在早期宇宙中情况并非如此,或者在合并(当两个或多个星系碰撞在一起时)正在发生的地方。

在这些环境中,星系中心的黑洞触手可及。它们经常在星中心积极地以大量气体和尘埃为食,它们的吸积盘是如此明亮,以至于它们更容易被发现,甚至有时是肉眼可见的。在最极端的情况下,吸积盘是如此明亮以至于比银河系中所有其他发光的恒星和气体都要亮,我们看到了天文学家所说的类星体。这些天体是看起来像恒星的遥远星系,因为我们能从它们身上看到的所有光线都来自中心的一个小区域,它们的光芒如此之大,以至于我们无法辨认出它周围的恒星、尘埃和气体。

如果没有吸积,黑洞会变得真正隐形,需要天文学家使用其他通常更棘手的方法来探测它们。正是由于注定要失败的恒星、气体和尘埃的最后欢呼,看不见的东西才变得可见。返回搜狐,查看更多

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