急火攻心：银心黑洞即将爆发
Nigel Henbest　文　Shea　编译
	位于银河系中心的黑色怪物长期以来一直是一个温和的巨人——但这可能会在今年发生改变，因为几个世纪之后它终于醒来将进食它的第一顿大餐。 我们银河系的中心是一个极端之地。“它有着银河系中最高的恒星密度、运动速度最快的恒星、最集中的气体储量以及最强的磁场，”美国加州大学洛杉矶分校的天文学家马克·莫里斯（Mark Morris）说。而潜伏在其中央的则是所有东西中最难以理解的天体——我们银河系自己的超大质量黑洞。 被称为人马A*，这个质量高达太阳400万倍的黑色巨人可以让其周围的恒星以近每小时2,000万千米的速度疾驰。然而，它也很温顺。它只进食由稀薄的星际气体所组成的小点心，后者在葬身其腹之前会发出暗淡的射电辐射。 这一特质行将发生改变。在过去，人马A*所产生的大规模爆发塑造了银河系今天的模样。而在2013年底，当被称为G2的气体云接近其边缘时，我们将首次目睹一个黑洞是如何油然而生的。它将让我们前所未有地洞察银河系黑色心脏的节拍。 研究银河系的中心并非易事。在它所发出的可见光到达地球之前，大量的尘埃几乎会把它们全部吸收掉。如果我们以相同的量来吸收正午的阳光的话，太阳看上去会比北极星还要暗弱，白昼的天空也会变成深不可测的黑色。因此，为了获得一个更好的视角，我们就必须借助于能穿透尘埃的辐射：射电，红外线和X射线。 在过去的几十年中，工作在这些波段上的地面和空间望远镜观测发现，放眼宇宙人马A*其实没有特别突出的地方。它只比太阳亮100倍，而例如参宿四这样的一颗恒星其亮度就达到了太阳10万倍。有的黑洞质量可重达太阳的数十亿倍，因落向它们的气体被加热而发出辐射，由此爆发成类星体。 v 发现于1963年，类星体是宇宙中最明亮的天体。然而，它们遥远的距离使得难以对其进行研究。“仔细研究我们银河系的中心，包括G2的遭遇，可能是我们详细了解这些现象的最佳机会，”美国西北大学的达里尔·哈格德（Daryl Haggard）说。 对准人马A*的最新仪器是美国宇航局于2012年6月发射的核光谱望远镜阵（NuSTAR）。它可以在最高能的X射线波段上对天空进行细致的观测，而这类辐射正是位于黑洞边缘上的灼热气体会发射出的。 2012年，NuSTAR探测到了来自人马A*的X射线爆发。这可能源自于在绕黑洞转动的气体内部贯穿着的磁场：随着磁场缠绕得越来越紧，它们可能会突然“短路”，像太阳耀斑那样产生一道耀眼的闪光。或者，磁场可能会一起从气体盘中冒出来，形成一道狭窄的能量喷流。许多类星体骄傲地显现出了可延伸数千光年的巨大喷流，人马A*的小型爆发可能也会向我们展示这些喷流是如何形成的。 又或者，它们想表达的完全是另一回事。英国莱彻斯特大学的谢尔盖·纳雅克钦（Sergei Nayakshin）认为，这一X射线爆发有可能来自一块比G2小得多的气体，它在黑洞边缘被加热到了1亿度。 [图片说明]：气体云飞掠银心黑洞的计算机模拟。版权：ESO/MPE/Marc Schartmann。 不幸的行星 他的观点是，这团的过热气体是一颗直径10千米、命运多舛的小行星的遗骸。源自可能围绕银心的一个巨型小行星带，这颗落向黑洞的小行星曾以不足日地轨道的距离掠过了中央黑洞，被后者的强大引力撕碎。“如果小行星冒险太靠近人马A*附近的一颗恒星或行星，它的轨道就会发生变化，”纳雅克钦说，“如果它被抛向黑洞，那就死定了。” 纳雅克钦估计，每隔十万年左右就会有一颗不幸的行星以此乃至更壮观的方式结束其一生。类似事件也许能解释人马A*一个世纪前亮度达太阳100万倍的爆发，其余波仍在银河系中心周围回荡。在早已褪去的超新星爆发周围，首次发现了与之相似的被附近的气体云所反射的可见光回声。在过去十年里，有两个X射线卫星一直在监视我们银河系的中心，看到了一波在那儿的低温气体云中传播的明亮X射线。“通过这些观测，我们可以回溯人马A*在近100年前所发出的强劲辐射，”哈格德说。 目前还无法区分这一爆发是一颗行星最后的吟唱，还是磁场打了一个巨嗝。对于未来的爆发事件，得益于如其名的视界望远镜，我们应该能够对其进行判断。 要想观测人马A*的最细微之处需要尽可能大的望远镜，视界望远镜正符合这一要求。它其实是一架“虚拟”的望远镜，由世界各地的射电望远镜相连而成，这使它具有和地球一样大的口径。在它的第一次观测中，三架相联的射电望远镜观测人马A*发现了一个气体团块就位于黑洞的边缘——视界——上。在智利和南极的其他射电望远镜加入进而提高增强灵敏度之后，它应该能观测到人马A*的爆发是向内运动的——瓦解的小行星或行星的标志，还是因喷流而向外运动的。 对于能让万亿颗恒星都黯然失色的类星体而言，银心100年前的爆发微不足道。但进一步的银河系考古却发现了银心更剧烈爆发的证据，其亮度直逼类星体的光芒。它在银河系中心的两侧形成了两个目前高25,000光年的巨大高温气体泡（如图）。这两个“费米气泡”于2010年由美国宇航局工作在γ射线波段的费米卫星所发现。那么什么造就了如此巨大的结构？ 一条线索来自三个大质量年轻恒星，其中一个就在人马A*附近，另外两个则稍远一点。后两者之一是五合星团，包含有全银河系中质量最大、最明亮的恒星之一手枪星。这些星团的诞生本身就是一件大事，必定会产生广泛的影响。“恒星形成是非常低效的，有50％的气体最终会被倾倒到人马A*上，”美国西北大学的法哈德·尤瑟夫-扎德（Farhad Yusef-Zadeh）说。有了充裕的气体来饱餐，人马A*会以1千亿个太阳的强度爆发，让它像类星体一般闪耀——尽管仍算温和， 或许由此吹了两个巨大的高温气泡。 对此还有其他的解释。“当谈及费米泡时，每个人都有自己个人的偏好，”尤瑟夫-扎德说，“我自己的是，这源于星爆的能量。”但“费米”还发现了其他有趣的线索，在这两个泡中存在着一条笔直的“喷流”，暗示可能是银心黑洞为吹起这两个气泡注入了能量。 无论细节如何，费米泡的存在都指向了银河系中心处因大量气体的运动而产生的巨大扰动，要么气体落入黑洞，要么坍缩形成我们今天看到的大质量星团。这些气体的数量很容易解释：虽然人马A*周围附近仅有少量的气体，但几百光年之外有许多巨大而稠密的气体云在绕银河系中心转动。其中之一被称为人马B2，质量达太阳的3百万倍，包含了超过100种的不同分子，其中的酒精足以装满一个地球大小的玻璃杯。问题是过去类似的气体云是如何被踢出了其稳定的轨道进而形成了新的星团并为贪婪的人马A*黑洞提供食物的。 2013年3月，美国范德堡大学的凯利·霍立-博克曼（Kelly Holley-Bockelmann）及其同事提出罪魁祸首是一个矮星系。由于这个闯入者骤然撞入银河系的中心区，它压缩气体云，使它们坍缩成了明亮的新生恒星，其中包括类似手枪星的巨型恒星。剩余的部分则被倾倒入了中央黑洞。 孤注一掷 通过观测了数十亿​​光年之外的其他星系，哈格德估计这样的扰动在星系的一生中每过1千万到1亿年会重复一次。这表明在下一个“大事件”来临前还需要漫长的等待，也意味着天文学家们将更加热切地期待预计会在2013年底发生的事件。 德国马普地外物理研究所斯特凡·吉勒森（Stefan Gillessen）及其同事收集了过去10年人马A*的图像，他在检查它们时发现了气体云G2。他说，这完整是个意外。与在它附近以安全距离高速绕银心转动的恒星不同，G2正在孤注一掷地几乎径直冲向银心黑洞。吉勒森猜测这个星云形成于从附近恒星所吹出星风的相互碰撞。 也许最极端的观点是认为G2是一颗年轻恒星周围行星盘中的气体蒸发所致。在这种情况下，我们正在目睹一个行星系统在比海王星到太阳还近的距离上饱受着一个超大质量黑洞的摧残——无疑会成为未来科幻电影的一个场景。 当今年年底G2经过其最靠近该黑洞的地方并且其部分气体开始被吸入时，将会有更多信息显现出来。“这将是一个非常、非常大的事件，”尤瑟夫-扎德说。首先，这将告诉我们一些有关黑洞周围气体情况的信息。如果只有少量气体在环绕人马A*转动，那么当G2在银心黑洞的引力作用下被挤压成长面条形时，它的温度会升高。红外望远镜将会看到其亮度激增，但其他的望远镜则无法探测到多少信息。 另一方面，如果有一个迄今未被发现的稠密气体盘就潜藏在紧邻黑洞的地方，那么随着G2以高速撞向它，将会产生X射线和射电爆发。这一碰撞甚至能显现出人马A*是否在喷射因能量太小而无法被天文学家使用普通望远镜而观测到的喷流。 吉勒森和他的同事从2013年3月便开始了观测，预期会持续紧盯着它直到2014年3月。哈格德也在这一漫漫征程中的一员。“G2和人马A*之间相遇的整个过程可能会持续数年甚至更长的时间”，她说。如果剩余的气体能在黑洞周围形成一个持久的气体盘，我们甚至可以看到一个微缩版的类星体，向太空中射出更强劲的喷流。 我们应该为此担心吗？恐怕没有必要。相对于星系的尺度上，G2还是太小了——质量仅相当于3个地球，因此没有人预期它会在银心引发类星体般的大规模爆发。莫里斯说，这一规模的爆发大概已经过去有1千万年之久了。即使是这样，我们的子孙，如果仍然在场的话，也无需要钻进最近的防空洞。“虽然对于天文学家来说发生在银河系中心的爆发和类星体阶段是一个极好的机会，但它们对地球产生重大影响的可能性很小，”莫里斯说，“25,000光年之遥使得我们距离这一危险区还很遥远。” 如果我们能飞过25,000光年前往银心身临其境观看，那将会是相当壮观的。“我们所看到的‘夜空’景象将会是惊人的，”莫里斯说，“对于我们在地球上可以看到的每一颗恒星，你会看到一百万颗。”尤瑟夫-扎德说，但由于高强度的背景辐射以及还有一个神出鬼没的怪物潜伏在附近，那儿可能并不是一个我们会考虑想去的地方。“不可能的！我可没疯，我知道会在我身上发生什么，我很珍惜现在的生活。”
[New Scientist 2013年5月2日]

2001-2013 火流星工作组制作


本文遵循“创作共用约定”之“署名-非商业性使用-禁止演绎”3.0约定
任何意见和建议请致电：