銀河系中心附近耀斑的特征性“晃動”：證實黑洞存在

銀河系中心不僅有超大質量黑洞，還有一個龐大的核心團

　　北京時間11月23日消息，據國外媒體報道，天文學家發現，在一個大質量黑洞的噴流周圍存在著圍繞其運轉的“熱斑”（hotspot），并且表現出特征性的紅外輻射“晃動”，這為銀河系中心存在一個超大質量黑洞提供了新的證據。加拿大滑鐵盧大學的天文學家艾弗里·布羅德里克（Avery Broderick）多年前就參與構建了銀河系中心黑洞的模型，他表示，13年來的觀測終于獲得了回報。

　　這項新研究涉及到布羅德里克多年前的工作。研究結果顯示，銀河系中心的黑洞——稱為人馬座A*（Sagittarius A*）——發出了3個耀斑（又稱為可見熱斑）。研究團隊探測到來自這些耀斑的一次不穩定爆發，從而得以探測環繞黑洞的吸積盤。吸積盤是在黑洞或中子星周圍，氣體和塵埃受到引力作用向中心天體落下而形成的盤狀結構。通過對耀斑爆發的研究，科學家描繪出了人馬座A*的行為。

　　布羅德里克的黑洞理論建立在較早前兩個團隊對銀河系中心近紅外研究的基礎上。這兩個團隊分別是來自德國馬克斯普朗克地外物理研究所的天文學家萊茵哈德·根澤爾（Reinhard Genzel），以及加州大學洛杉磯分校的研究者安德里亞·蓋茲（Andrea Ghez）和馬克·莫里斯（Mark Morris），他們的工作揭示了銀河系中心并不穩定，而是在一天中會有一段時間極其明亮，持續大約30或40分鐘。

　　天文學家認為，大多數（如果不是所有）大型星系的中心都存在超大質量黑洞。因此，2005年，布羅德里克在哈佛史密松天體物理中心與天文學家艾維·利伯（Avi Loeb）一起工作時，提出在銀河系中心所觀測到的周期性增亮現象——又被稱為明亮紅外耀斑——源于一個超級巨大的物體，比如黑洞。

　　這一理論進一步得到了新證據的支持。天文學家發現一個非常明亮、密集的恒星群（稱為“核星團”）環繞銀河系中心區域運轉。此外，紅外線觀測顯示，位于銀河系中心的恒星圍繞著一個質量約為太陽400萬倍的物體運轉，再一次表明一個大型黑洞的存在。不過，布羅德里克表示，在此次新研究之前，所有觀測數據都不足以證明銀河系中心確實存在黑洞。

　　突發的耀斑行為

　　布羅德里克說，近日探測到的來自銀河系中心的3個耀斑是黑洞引力透鏡的產物。“黑洞的作用就如同燈塔的鏡片。那里存在一個局部的噴射區域，但并不是噴射區域本身的突然增亮引發了耀斑，”他說道。相反地，是黑洞的引力使噴射產生的光線彎曲，并將其放大，使我們能觀測到。布羅德里克解釋道：“這才是耀斑產生的原因，即極端引力的放大作用。”

　　根據這一結果，布羅德里克和利伯最初預測，在圍繞人馬座A*的吸積盤中，物體會表現出特定的紅外線噴射晃動，因為它們在環繞黑洞的軌道上運轉。他們在2005年的一篇論文中闡述了這一理論，并在2006年的后續論文中做了補充。然而，當時的技術還無法探測到這樣的擺動。

　　2016年，歐洲南方天文臺甚大望遠鏡（VLT）的高精度光干涉儀GRAVITY投入使用，改變了這一切。GRAVITY的精確度和靈敏度幫助天文學家探測到人馬座A*的吸積盤中3個耀斑噴射中的晃動。歐洲南方天文臺研究團隊的新發現發表在10月18日的《天文學與天體物理學》（Astronomy & Astrophysics）期刊上。

　　布羅德里克說：“雖然耀斑的發現已經有很長時間，但這里的關鍵性發現是這些耀斑的特征性晃動。”這一晃動表明，產生這些耀斑的物質正在環繞一個黑洞運轉。

　　人馬座A*附近的耀斑發生在靠近黑洞的磁場線斷裂并重連的過程中。這一過程稱為“磁重聯”（magnetic reconnection），能釋放出大量能量和帶電粒子，導致極端明亮的事件。從這些耀斑中釋放的紅外輻射由于其環繞黑洞的軌道運動而表現出特征性的晃動。具體而言，當其他噴射物融入圍繞銀河系中心的吸積流時，紅外輻射的中心就會發生移動，或者說“晃動”。

　　在黑洞的事件視界以外，氣體和塵埃等物質以大約三分之一光速的速度在一個圓形軌道上運行。耀斑的軌道期——它完成一圈軌道運行的時間——與晃動出現的時間間隔相同，天文學家每40到50分鐘就觀測到一次這樣的晃動。布羅德里克表示，這么短的時間尺度是黑洞引力作用的結果，表明這些繞行的物質非常接近黑洞。

　　“13年前，我們的觀點是這些耀斑與（星系中心的）結構可變性有關，并且我們將能夠利用這一結構可變性來說明廣義相對論和強引力作用，”布羅德里克說，“令人興奮的是，這一觀點似乎是對的。”

　　證明黑洞的存在

　　耀斑產生的噴射晃動并不是唯一預示著一個超大質量黑洞存在于銀河系中心的證據。銀河系中心無疑具有一個質量達到太陽400萬倍的物體，但證明它是黑洞的過程充滿挑戰。

　　銀河系中心還存在一個核星團，其中具有超過50萬顆恒星。根據愛因斯坦的廣義相對論，天文學家通過測量環繞運行的恒星和氣體的質量，估計出了銀河系中心隱藏天體的質量。布羅德里克表示，這進一步支持了400萬倍太陽質量物體是超大質量黑洞的觀點。

　　“就我們所知，沒有其他物體能夠在如此緊湊的結構內維持這樣的質量而不坍塌，”布羅德里克說，“如果不是一個黑洞，那它就必須是某種極為奇特、超出我們目前認知邊界的東西。”

　　此外，觀測數據顯示，有許多物質確實是在我們的銀河系中心消失了。這些物質被拖入星系中心，最終被困在黑洞周圍不斷增長的吸積盤中。盡管吸積盤軌道中的大部分物質在人馬座A*周圍都很安全，但太過靠近的物質會不斷被吸入并穿過黑洞的事件視界。事件視界是黑洞最外層的邊界，也是一條時空邊界。當物質經過事件視界落入黑洞后，就再也無法逃離。布羅德里克說，研究人員可以看到物質在經過事件視界時由于摩擦而變得異常明亮。

　　“這就變成某種‘它去哪里了？’的爭論，”布羅德里克說，“我們知道這些物質正在落入黑洞，因為我們看到它的亮度增加，但沒看到相應的撞擊發光。因此，它肯定消失在某些地方了。”

　　因此，事件視界及其背后黑洞的存在，便成了銀河系中心奇特行為最合理的解釋。“從個人角度來說，看到一項預測最終被證實真的太讓人興奮了，”布羅德里克說，“我認為這標志著科學史上非常重要的一刻，黑洞從某種奇聞異事便成了具有真實基礎的東西。”