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在国际空间站上直击黑洞“吃星星”:黑洞的光冕收缩了

2019-01-10 09:31:28    澎湃新闻  参与评论()人
在科幻电影《星际穿越》中,男主角进入黑洞后并未被引力撕碎,而是来到了一个奇迹的高维空间。黑洞吃进物体后会发生什么?人类现有的科学水平尚不能完全回答这个问题,只能从黑洞吃星星时“打嗝”出的光波略窥一二。

北京时间1月10日凌晨,世界顶级学术期刊、英国《自然》杂志(Nature)的封面论文,即讲述了对一次黑洞吃星星过程的观测研究,在宇宙学上称为“黑洞瞬变”事件。

死亡共舞

黑洞作为一类极端天体,是恒星们的其中一种特殊归宿。随着恒星核聚变的燃料殆尽,质量小一些的内部坍塌成白矮星,质量大一些的则会坍塌成中子星或黑洞。

根据爱因斯坦引力场方程的计算,如果大量物质集中于空间一点,奇点周围会形成时空扭曲的“视界”,一旦进入这个界面,连光子也无法逃逸,故而称为“黑洞”。

黑洞本身虽无光,但大量弥散物质被吸附在黑洞周围转动,形成一个发光的盘状结构。一旦天体进入吸积盘的范围,就开始被黑洞吞噬。

而沿着这个“吸积盘”中轴线的上下两端上,科学家们还发现了神秘的黑洞“光冕”,与太阳的“日冕”相似,是一团致密的超高温等离子体。

在国际空间站上直击黑洞“吃星星”:黑洞的光冕收缩了

《自然》封面论文

正如封面图片所描绘的,黑洞吞噬恒星的过程以“双星共舞”的形式展开。恒星或白矮星围绕着黑洞旋转,物质不断被吸收,释放出巨大的引力波和能量,高速等离子喷流从黑洞中逃逸而出,形成明亮的光柱。

也就是说,黑洞虽然如饕餮般吞食一切,却不能吃得干干净净,总是“打嗝”,给天文学家留下可以研究的线索。

“黑洞”中的水滴声

2018年3月6日,位于智利安第斯山脉托洛洛山顶的两台“全天自动超新星搜索项目”望远镜捕收获了一个编号为ASASSN-18ey的光学信号。5天后,国际空间站上搭载的全天X射线图像监视器(MAXI)捕捉到了一个编号为MAXI J1820+070的X射线源。两相比对后,天文学家们初步确定这两个信号来自同一个正在吞噬天体的黑洞,形成一个黑洞双系统。

值得一提的是,该信号源十分明亮,约在3260光年之外,这已经是目前人类发现的黑洞双系统中距离地球最近的。

消息公开后,世界范围内十数台地面望远镜和空间设备瞄准信号源,接收分析不同频段的数据。其中就包括同样位于国际空间站上的中子星内部组成探测器(NICER)。该载荷针对中子星周围的极端引力、电磁场和核物理学设计,专门探测极端高密度和高压下的奇妙物质状态,因而也适用于黑洞的观测。

为了理解探测器的工作方式,你可以想象一个“漆黑的山洞”中的水滴。你先听到水滴声,再听到水滴声反弹到洞壁上的回声。水滴声和回声间的间隔越长,山洞的大小就越大。

对于黑洞而言,“水滴声”就是从光冕中射出的X射线光子,而“回声”就是光冕与吸积盘内缘相互作用后二次射出的X射线光子。

在国际空间站上直击黑洞“吃星星”:黑洞的光冕收缩了

黑洞“吃星星”后吸积盘和光冕发生的变化

探测器由52对X射线收集器组成,可以记录单个X涉嫌光子抵达的时间和能量,时间分辨率达到100纳秒以内,比美国国家航空航天局(NASA)的上一代最精确的X射线计时器快上25倍。

正因如此,这个美、英、荷、日联合团队才能够捕捉到黑洞瞬变过程中X射线光谱的微妙变化:在吃下星星后,黑洞的吸积盘大小保持得相当稳定,光冕的尺寸却收缩了。

这与此前预测的一种“吸积盘截断模型“相左。此前,一些科学家们推测黑洞吃星星时吸积盘旋转速度变快,从而收缩。如今,高精度的X射线探测器描述了不同的图景。不过,为了排除个例的特殊性,这种新的描述模型尚需更多的案例检验。

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