中國科學家最新研究：銀河系中心大黑洞為何呈低活動性

時間:2013-09-11 21:52:57 | 作者:林清 | 來源:新浪科技

天之文配圖：上海天文台袁鋒等研究團組得到的黑洞周圍物質運動之數模模擬。
近日，科學家對於黑洞的研究取得重大進展，這項進展有助於我們理解為什么我們的銀河系中心雖然擁有一個巨大的黑洞，卻并沒有表現出很強的活動性。這項研究結果發表在最新一期的國際著名的《Science》雜志上，第一作者是美國麻省大學的王青德教授(上海天文台客座教授)。上海天文台的袁峰，南京紫金山天文台的紀麗、南京大學的李致遠等中國科學家也都參與了其中的重要研究工作。

黑洞是宇宙中最神秘的天體之一，它的超強引力會吸積周圍的氣體，形成吸積流。這些吸積流在向黑洞下落的過程中會將引力能轉變成氣體的熱能，從而在許多高能波段(如X射線)發出強烈的輻射。几乎所有的星系中心都存在一個超大質量黑洞，他們的質量在几百萬倍到几十億倍的太陽質量之間，因此通常認為黑洞吸積周圍物質而發出強烈輻射就是宇宙中能夠持續發光的最明亮天體 — 活動星系核 — 的能量來源。

但是奇怪的是，宇宙中的大部分星系，包括我們所在的銀河系，其核心雖然也有巨大的黑洞，但是并沒有出現強大的輻射，相對於活動星系核而言，它們顯得非常的平靜。比如我們的銀河系，其核心在X射線波段的輻射比一般活動星系核的輻射強度要弱上11個數量級。

衕樣是超大質量黑洞，為什么貪吃的程度差別如此巨大？這一問題一直以來是困擾天體物理學家的難題。

大約15年前，有科學家猜想，解決上述問題的關鍵之一，可能是由於大部分的吸積流進入黑洞勢力范圍后，在往黑洞下落的過程中損失掉了，這些損失的氣體以外流的形式逃出了黑洞的俘獲。但是這一想法存在很大的爭議。因此，外流是否存在15年來一直是個未解決的問題。一直到去年，上海天文台的袁峰研究員等人通過大型計算機的數值模擬研究，從理論上首次證明，外流必定存在於黑洞吸積流中。

然而，黑洞外圍究竟是否存在大量的氣體外流，最終還是要靠觀測來檢驗上述理論。這就是這篇《Science》文章的主要內容。這篇文章是基於通過世界上分辨率最高的錢德拉X射線望遠鏡的詳細觀測數據的分析做出的研究結果。國際上一個由來自美國、英國、荷蘭、以及中國等國家的几十名科學家組成的團隊，聯合申請得到了總計300萬秒觀測時間(約35天)的課題，這也是錢德拉望遠鏡有史以來最大的觀測課題之一。

觀測目標指向了一處名為人馬座A*的區域，這里就是銀河系的中心所在，距離我們約2.6萬光年。計算表明它的周圍半徑約4角秒(稱為邦迪俘獲半徑)的范圍可視作中心黑洞的勢力范圍，這相當於史瓦西半徑(也就黑洞的真正半徑)的40萬倍。中心黑洞附近的大質量恆星產生的星風物質進入這個區域后，其運動軌跡將在強大引力的作用下受到嚴重的扭曲，但是并非一定就會落入黑洞，也有很大的可能會被加速甩出這個區域，這就是本項研究工作所關注的氣體外流。

長時間的詳盡觀測得到了丰富的數據，研究人員通過分析氣體中鐵元素的發射線，證明了外流的確是存在的。具體來說，該項研究表明，大約99%的進入黑洞勢力范圍的氣體最終沒有被黑洞吞噬，而是以外流的形式損失掉了。只有1%進入了黑洞視界。視界是黑洞的真正邊界，任何進入黑洞視界的物質，包括光，都不再能夠逃脫出來，所以視界之內是絕對的黑暗。任何物質進入視界都將有去無回。

這一成果顯然對於我們理解黑洞有巨大幫助，它表明黑洞并不像我們想象的那樣“來者不拒”，而是“非常挑剔”！至於產生這一現象的原因，袁峰研究員的理論研究給出了他的回答，只有“犧牲”掉大部分外流，才能帶走吸積流的能量和角動量，從而使得小部分氣體“修成正果” — 落入黑洞。理論研究表明，銀心附近的氣體非常彌散而且熾熱，黑洞就難以捕捉和吞咽。而那些驅動活動星系核產生強大輻射的貪吃黑洞，是因為它們擁有足夠多又冷又密集的氣體資源。

袁峰說，“銀河系中心的黑洞發現，它并不能隨心所欲地吞吃周圍所有的東西，那些東西雖然誘人，大部分卻是難以下咽。”

研究表明，銀河系中心黑洞遭遇的這個尷尬并非它的專利，宇宙中大部分星系核心發生的其實都是這種模式的吸積過程，這就是為什么大部分星系核都顯得如此暗淡的重要原因之一。

黑洞吸積是宇宙中最重要的基本物理過程之一，是我們理解活動星系核、伽馬射線暴等現象的核心理論。宇宙中大部分的星系都距離我們過於遙遠，我們難以分辨其中心的結搆。銀河系的中心超大質量黑洞為我們提供了一個最好的樣本，它是距離我們最近的超大質量黑洞，因此也是研究吸積過程最理想的宇宙實驗室。

作為該文的合作者，袁峰研究員與該論文的其他兩位作者一起，接受了美國國家宇航局(NASA)的專訪，解答了記者提出的有關問題。