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银河系中心的黑洞
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Robert Irion 文 Shea 译 |
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新的观测几乎已经证明，在银河系的中心隐藏着一个巨大的黑洞。现在天文学家正试图了解它的食性以及他附近的年轻恒星。 谈到速度，天文学家很有发言权。超新星爆发可以把脉冲星以超过1000千米每秒的速度射向太空，而γ射线暴则可以把物质加速到接近光速。但是最近对银河系中心附近恒星速度的测量，使得即使是最资深的高能天体物理学家也为之兴奋。 互相竞争的两个德国和美国天文学家小组，深入银河系的中心，他们发现巨大的恒星正以狭长的轨道绕着不可见的物质运动，而且速度高达9000千米每秒。这些恒星的运动提供了强有力的证据，在我们银河系中心有一个差不多400万太阳质量的超大质量黑洞，这是迄今对其质量的最好估计值。 与此同时，这也带来了一些新的问题。例如，没有人能解释为什么在那里会出现这些15个太阳质量的巨大恒星。按照大多数的理论模型，在银心的混沌中是不可能形成如此大质量的恒星的，而且由于它们又太年轻，所以也不可能来自银河系的其他地方。更难以理解的是年老的中央黑洞，射电和X射线观测显示，它是一个非常挑剔的“食客”，仅仅消耗了其周围气体的十万分之一，而且它每次“进食”也没有规律。几乎每天，它都会有一个小时左右的暗弱爆发，这正是黑洞吞噬气体的写照。 “解决这些问题将有助于我们了解黑洞的宏观特征，”麻省理工学院（MIT）的天文学家弗雷德里克·白冈诺夫（Frederick Baganoff）说，“而且这是我们第一次如此细致、如此近距离的观察一个超大质量黑洞。” 像彗星一样疾驰 几十亿年前，银河系的黑洞可能也是一个强大辐射源的中央引擎，就像宇宙中遥远的类星体一样。但是，现在的它已经归于平静。“它现在是一个极为普通的星系中央黑洞，”加州大学洛杉矶分校（UCLA）的天文学家马克·莫里斯（Mark Morris）说，“就像其他星系中央的黑洞一样。” 正如老生常谈的那样，银河系的中央黑洞被证明很难以捉摸。早先观测到在银心附近盘旋的气体就暗示这是被大质量天体拖曳所造成的。但是没有人能确定那是由于黑洞、电离气体的强磁场，或者还是由于大量中子星所造成的。   为了确定可疑中央天体的质量，天文学家开始跟踪银心附近恒星的轨迹。但是当他们将望远镜指向银河系中心——射电源人马A*（Sgr A*）时，尘埃挡住了去路。幸亏由于新的观测手段和工具改变了这一现状，那就是红外观测和自适应光学系统。 在90年代早期，德国马普地外物理研究所的一个由瑞英哈德·甘泽尔（Reinhard Genzel）和安德瑞斯·埃卡特（Andreas Eckart）领导的小组开始使用欧洲南方天文台（ESO）的3.6米新技术望远镜来跟踪人马A*附近的恒星。另一个由UCLA的安德瑞·甘茨（Andrea Ghez）领导的小组使用10米凯克望远镜也进行着同样的工作。近十年来这两个小组互相竞争，你追我赶。同时这两个小组近几年来一直与大气扰动做着不懈的斗争。他们通过间缩短曝光时间来提高图像的清晰度，但是效果不是很理想。 去年，事情出现了重大转折。甘泽尔的小组开始使用欧南台8.2米的甚大望远镜。更重要的是，这两个小组都开始使用自适应光学系统来提高影像的清晰度，它可以消除大气湍动所带来的影响。于是在观测到的图像中出现了更多的恒星，包括一些极其靠近银河系中心的恒星。 当甘泽尔和甘茨以时间序列排列他们观测到的恒星时，惊人的结果出现了。他们发现银心附近的恒星正以类似太阳系彗星的轨道运动。其中，一颗由甘茨于去年夏天公布并由甘泽尔小组于2002年10月17日出版的《自然》杂志上加以讨论的恒星，去年初距离人马A*只有17光时——大约是日地距离的120倍。观测数据涵盖了它15年轨道周期的三分之二。“你可以拿出你的标尺量一下，这是一个地道的开普勒椭圆，”甘泽尔说。根据牛顿万有引力定律，由观测到的轨道可以推算出中央天体的质量大约是370万个太阳质量。 通过跟踪另一颗恒星的轨迹，甘茨小组发现它具有雪茄形的轨道，在极端情况下它的运动速度甚至可以达到光速的1/30。3月份，甘茨在网上公布了他的有关文章。 两个小组的天文学家认为，只有一个超大质量黑洞才能使恒星以如此狭长的轨道运动。如果是一群聚集在一起的小黑洞或者是其他致密天体（例如中子星）导致的开普勒运动，那么这个系统由于引力交会和散射作用会在10万年之内瓦解。“用超大质量来解释这一动力学现象是很完美的，”哈佛-史密松天体物理中心的天文学家乔纳森·格林德雷（Jonathan Grindlay）说，“这是非常漂亮的观测。” 无常的食客 另一些天文学家则把注意力集中到了银心本身的物理特性上。“我很乐意相信银河系中央有一个超大质量黑洞，”加州大学圣克鲁兹分校的桑德拉·法伯（Sandra Faber）说，“我对黑洞如何影响它周围的环境非常感兴趣。” 现在很清楚，银河系的中央引擎并不是一些巨型星系中数十亿太阳质量黑洞的微缩版本，这些巨型星系中黑洞往往会释放出巨大的能量，并且会形成喷流。天文学家认为漂动的分子云和大质量恒星的星风为银心黑洞提供了足量而稳定的尘埃和气体。如果黑洞大量吞噬这些物质，就会释放出巨大的能量，其亮度将是现在的10万倍。“很难理解当气体掉入黑洞时，居然没有释放出大量的能量，”加州大学伯克利分校的天体物理学家埃利奥特·奎塔特（Eliot Quataert）说，“一种可能的解释是仅有少量的气体掉入了黑洞，其他的气体都被驱散了。”  射电观测证实了奎塔特的观点。加州大学伯克利分校的天文学家乔弗瑞·鲍厄（Geoffrey Bower）及其同事使用BIMA射电望远镜阵研究了人马A*射电辐射的偏振。大量下落的气体和尘埃会随机的散射电磁波，但是少量的物质则不会，一些电磁波仍将保持原先的偏振特性。 这个小组在即将出版的《天体物理学报》上撰文，他们的观测显示射电辐射的偏振度大约为7%。这一结果支持了先前由英国哈特福德郡大学天文学家大卫·埃肯（David Aitken）的观测结果，每年大约只有相当于地球质量1%的气体掉入黑洞。“银心黑洞看起来非常的孤立，”鲍厄的合作者、马普射电天文研究所的海诺·法尔克（Heino Falcke）。 天文学家现在还并不知道为什么只有这么少的气体掉入黑洞。UCLA的莫里斯说，周围恒星的星风为黑洞储存了大量的气体。同时MIT的白冈诺夫也注意到，大约1万到5万年前在银心附近有一次超新星爆发。尽管人马A*的确切空间位置现在还不是很确切，但是它应该就在超新星爆发遗迹的范围之内。那次超新星爆发的爆震波可能吹散了聚集在人马A*周围的尘埃和气体。 另外，天文学家相信有一部分气体确实掉入了黑洞。NASA的钱德拉X射线天文台和欧洲空间局的XMM-Newton望远镜都观测到了人马A*持续一个小时或更长时间的X射线暴，增量幅度为5-50倍。 这些爆发和宇宙学尺度的爆发相比弱了很多，白冈诺夫说：“如果这些爆发发生在（邻近）的仙女星系，由于太暗弱了，我们根本就不会注意到。”不过弄清楚这些爆发的源对于我们了解黑洞还是相当重要的。 在各种会议以及互联网上，天文学家提出了各种各样的解释。白冈诺夫认为这些爆发源自黑洞吞噬彗星状的气体团块。MIT的天体物理学家塞瑞·马科夫（Sera Markoff）认为这些爆发和太阳爆发很相似，是由于黑洞附近电离气体的磁力线突然联接导致了爆发。另外在《天文学和天体物理学》杂志上，马普天文研究所的塞根·纳延克森（Sergei Nayakshin）认为，当恒星穿过黑洞旁的物质盘时引发了这些爆发。白冈诺夫说，未来的空间X射线观测以及地面上其他波段的观测将会给我们一个最终的答案。 年轻无止境 同时，格林德雷说，“另一个奇异的问题”是为什么会有年轻的恒星出现在那里。气体云需要一个稳定而且低温的环境来坍缩形成恒星。但是来自中央黑洞以及周围恒星的引力，会使得银心附近的气体云根本无法坍缩。 那么这些恒星是不是形成于其他地方呢？甘茨小组在4月1日出版的《天体物理学报通信》上撰文，否定了这一假说。通过对一颗靠近银心的恒星的光谱观测显示，这颗恒星的质量为15个太阳质量。甘茨和甘泽尔小组跟踪的其他恒星质量估计也与此相当。这些恒星的寿命只有1万年，因此大多数天文学家认为，它们在如此短的时间内是不可能从银河系中其他地方到达现在的位置的。甘泽尔说：“对于这些恒星来说，这是不可能的任务。” 就像X射线暴一样，对于年轻恒星的解释也多种多样。甘泽尔和他的小组认为这些恒星是由于黑洞旁小质量恒星合并形成的。其他人则认为碰撞不可能形成如此巨大的恒星。阿姆斯特丹大学的天体物理学家西蒙·波特吉斯·茨沃特（Simon Portegies Zwart）说，当一个大质量星团掉向黑洞时，只需要1百万年它就会瓦解，并且散落出其中的大质量恒星。 莫里斯则坚持认为大质量恒星就是在它们现在所在的地方形成的。“银河系中心是引力势阱的底部，”他说，“只要允许，就会有大量的气体涌入其中。”莫里斯说，银心附近的大质量恒星及其星风是这些气体的主要来源。他认为，当恒星死亡时，气体便开始快速聚集。这一坍缩过程足以和银心的潮汐理相抗衡，进而导致在黑洞旁的物质盘中有恒星形成。 不管上面的哪一种假说，时间都显得不够。当恒星近距离从黑洞旁经过时，黑洞会剥离它的一部分外层大气，并且去处一些比较重的分子，例如一氧化碳。这就会使得它们比看上去的要年轻。甘茨笑着说：“它们可能本身就是年老的恒星，但是由于‘化妆’而显得年轻了。” 随着甘泽尔和甘茨小组不断的深入银河系的中心，相信会有更多的线索。自适应光学技术也将进一步改进，而且这一技术将同时用于多架望远镜以实现干涉观测。尽管碰撞和不同寻常的恒星形成过程可能促使恒星大质量化，但是天文学家还是希望借助先进的观测手段发现一些银心周围的小质量恒星。 最终，两个小组希望能看到位于黑洞边缘的恒星。按照亚利桑那大学天文学家福维奥·米利亚（Fulvio Melia）的话来说，到2010年一个覆盖全球的毫米波射电望远镜网将能够观测到银心黑洞的视界。 米利亚说，这将是对银河系中心认识的历史性转变。“银河系中心是最热闹非凡的地方，但是被尘埃遮挡了几个世纪，”他说，“现在新的观测手段将物理理论推到了极限，在几年之内它就将会对相对论做出最终的检验。” |
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出自：Science
发布日期：2003-05-30
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2001-2009 火流星工作组制作
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