如何發現那些「冬眠」的黑洞？或許它們需要被提供「食物」…

2023-04-01 21:31:10

我們都聽說過黑洞的概念，並且知道每個星系中都存在超大質量的黑洞，僅僅因為沒有足夠的「食物」供應，黑洞就不會發光。那麼，如何證明黑洞的存在呢？黑洞是如何吞噬恆星的？

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以下是沈榮峰在中山大學物理與天文學院的演講全文:

我今天想和你談談黑洞如何吞噬恆星。我們都聽說過黑洞的概念。我們知道黑洞不發光。任何光子都無法逃脫其引力範圍。沒有輻射就看不見黑洞。我們如何證明黑洞的存在？找出它在宇宙中的位置？

x射線來自哪裡？

這可以追溯到20世紀60年代和70年代，當時人類發射的x光探測器太空。x光是具有極高能量的光子，我們用來照射x光。

那時，我們發現在太空有幾個非常強的X射線源，這些X射線是從哪裡來的？它不太可能來自普通恆星，因為恆星的表面溫度不夠高。

然後有人猜測這可能是一顆雙星，其中一顆是恆星，另一顆是緻密天體。

恆星表面的氣體可能被緻密天體的強大力場吸引，然後這些氣體在緻密恆星周圍形成一個圓盤。氣體從這個圓盤流向這顆緻密的恆星。磁碟的溫度將被加熱到非常高的溫度，所以它可能會發出大量的X射線。

然而，這不能告訴我們緻密天體是黑洞，因為其他種類的緻密天體也能產生這樣的X射線發射。

在這個問題上，其中一個X射線源特別亮，叫做天鵝座X1。兩位著名學者在這個源頭上打了一個賭，也設立了一個賭。一個是霍金，他一生都在研究黑洞，另一個是吉普霍恩，他在前年獲得了諾貝爾獎。

霍金說，如果天鵝座X1被證明是一個黑洞，他會輸，否則他會贏。

霍金與打賭

為什麼會有這樣的賭注？這是他的雙重保險策略，「儘管我研究黑洞，如果證實這隻天鵝X1不是黑洞，我會贏，至少我能贏這個賭注」。賭注的賭注價值是當時流行的雜誌。最後，天鵝座X1的來源被證實是一個真正的黑洞。

如何測量和探測黑洞？

你怎麼知道這是一個真正的黑洞？根據密集物體的質量，這些密集物體是如何形成的？

當一顆恆星死亡時，它的內核塌縮形成一顆緻密的恆星。如果要形成黑洞，恆星的質量必須非常大。最終，黑洞的質量是太陽質量的3倍，其他緻密天體的數量也小於這個值。

只要我們能準確測量緻密天體的質量，我們就能知道它是否是黑洞。怎麼做？

通過測量雙星中可見恆星的運動，這個黃色的圓就是黑洞周圍形成的吸積盤。從光學角度看，你只能看到這顆大恆星。通過測量它的速度隨時間的變化，我們可以知道這顆緻密恆星的質量。最後，我們測量出黑洞天鵝座X1的質量是太陽質量的14倍。

這種雙星中的黑洞代表一類質量級的黑洞，我們稱之為「恆星質量級」黑洞。此外，我們知道宇宙中有質量更大的黑洞，它們被稱為「超大質量黑洞」。它們都在銀河系的中心，我們怎麼能探測到它們呢？

這些星系的中心有許多氣體。這些氣體實際上是黑洞的食物。如果這些氣體接近黑洞，它們會螺旋進入中心。

右圖是最近拍攝的一個遙遠星系的巨大黑洞。這是一個叫做M847的星系的中心。中間的黑色區域是黑洞造成的陰影，周圍的環是這些氣體環繞形成的圖像。

來源:網際網路

通過吸積盤觀察到的黑洞

我們居住的星系中還有一個超大質量黑洞。通過多年觀察銀河系中恆星的軌道，我們可以精確地畫出這些恆星的軌道，然後計算出這個黑洞的位置和質量。

恆星的軌道

黑洞是如何吞噬恆星的？

看看宇宙，我們幾乎可以說每個星系中都存在超大質量黑洞，但並不一定每個星系都有大量氣體，因此大多數星系都沒有足夠的「食物」供應，黑洞也不會發光。

大多數星系黑洞都處於「休眠」狀態。我們如何發現這些處於「休眠」狀態的黑洞？

大自然給了我們另一種方法。顯示的動畫是一個數值模擬。圖片的中心是一個黑洞。一顆恆星移動到它的附近並被完全撕裂。明亮的區域是被撕裂的恆星的碎片氣體。

然後它們相互碰撞，它們的軌道會變得越來越圓，最終它們會形成一個輻射非常明亮的圓盤。

這為我們探索冬眠的黑洞提供了一種方法。這些黑洞會偶然吞噬一顆恆星。如果食物和物質突然被提供給它，光線會變得非常明亮，我們可以探測到黑洞的存在。

如果發生這樣的事情，需要多少步驟？

第一步:首先切割恆星(潮汐解體)。

潮汐解體

就像吃麵包一樣，它會被撕成碎片。這是通過黑洞的潮汐力實現的。當恆星的質量移動到很大程度時，它會像麵條一樣伸展，然後恆星的成分會變得非常彌散。

這種潮汐力是由恆星上黑洞的引力和恆星兩側的差異造成的。地球和月球之間也有差異。地球面對月亮或者背向月亮。引力是不同的。這就是潮汐在地球上漲落的原因。

第二步:吞咽(積聚氣體碎片)。

當恆星被撕裂後，它的碎片氣體會重新接觸並相互碰撞，它們的軌道會變得越來越圓，最終形成一個圓盤，氣體在其中流向黑洞並被黑洞吞噬。

積聚的氣體碎片

第三步:打嗝(產生輻射)。

氣體在被吞噬的過程中會產生強烈的電磁波輻射，並能在短時間內發出強光。我們稱之為燃燒輻射，就像吃東西後黑洞打嗝一樣。

當我們探測到這種輻射時，我們可以知道這樣的黑洞確實存在於星系的中心。

產生輻射

這個方法是30多年前由英國劍橋大學的天體物理學家馬丁·裡斯教授開發的。

馬丁·裡斯

自1988年以來，我們已經發現了大約30例潮汐塌陷。

5種典型情況的亮度變化曲線

上圖是由5種典型情況的亮度變化組成的曲線。

為什麼潮汐崩解事件如此罕見？

為什麼迄今為止探索的事件如此之少？因為恆星被潮汐擾亂的可能性非常小。

恆星被黑洞潮汐分解，這要求它非常靠近黑洞。然而，這些恆星離黑洞非常遠。從黑洞到這些恆星解體時所在區域的距離之比是100萬比1或者1000萬比1。

當一顆恆星移動到黑洞附近時，它需要通過恆星和恆星之間的相遇，這就像打撞球一樣，但是在這個過程中，恆星不會相遇。在彼此接觸之前，兩者之間的引力改變了恆星的軌道，這就是引力散射的過程。

重力散射

這個事件的概率很低，就像你想把一枚硬幣扔進10公裡外的下水道，這個下水道被一個蓋子蓋住，蓋子上有一個空的缺口，把這個硬幣扔進10公裡外的下水道是非常困難的。

我是如何開始研究這些事件的？當我2011年在國外做博士後時，天文學家發現了一個這樣的案例，它的代號是Swift J1644+57。這是案例發生後亮度衰減的曲線。可以看出亮度隨著時間的推移逐漸降低。

輻射來自氣體形成的吸積盤。這些物質進入黑洞並被吞噬的過程是圓盤質量逐漸衰減的過程。當氣體越來越少時，它的亮度變得越來越低。

當這個事件引起我的興趣時，我開始思考盤子裡的物質是如何減少的。當裡斯提出這個模型時，他的預測是一個連續的衰減過程，如圖所示。

然而，我發現這個圓盤中氣體的亮度並沒有隨時間平滑下降，而是有一個扭結，如下圖中的紅色圓圈所示。

這一事件顯示亮度下降非常快。

因為這個光源非常亮，可以觀察很長時間，下面的觀察結果，如紅色圓圈顯示，確實表明它的亮度已經經歷了一個快速下降階段。我很高興看到這樣的數據，因為它非常符合我的模型的預測。

為什麼吸積盤的氣體亮度突然降低？

為什麼亮度會突然降低？這是因為磁碟在隨時間演變的過程中會經歷三種不同的物理狀態，如下圖所示。它分為三個部分。中段不穩定。當光碟進入這個階段，它變得不穩定。

然而，氣體盤可以將自身調節到相對穩定的狀態，並且該階段對應於曲線的最低部分。在這裡，氣體以比以前低得多的速度流入黑洞，這使得圓盤的亮度非常低。

這個過程就像我們坐飛機著陸一樣。著陸前，飛機平穩飛行。然而，由於高度下降，大氣變得不穩定，飛機將經歷短暫的抖動，所以飛行員必須使飛機迅速下降。當它降落到一個較低的區域時，大氣將變得相對穩定，因此隨後的著陸過程將變得相對穩定和緩慢。

亮度隨時間衰減過程的物理解釋隨後在另外三個潮汐崩塌案例中得到了驗證。其他三個解體案例在後期也有相對急劇的下降。

2

恆星解體的過程非常有趣。除了亮度衰減的特性，還有其他過程值得研究。

例如，如果一個黑洞正在快速旋轉，旋轉特性將影響氣體回落形成圓盤的過程。亮度變化曲線有什麼特徵？這也是一個非常有趣的方向，值得研究。

此外，在恆星解體之前，它將非常靠近黑洞。這個過程相當於更強引力波的輻射，引力波像電磁波一樣，是研究天體的一種全新手段。這也是潮汐解體案例的一個有趣的研究方向。

但是我們需要觀察更多這樣的案例。因為這種情況不常發生，我們需要能夠在某個時刻同時觀察到天空空的大面積，這就是為什麼我們建造了具有更寬觀察區域的更靈敏的望遠鏡。

這是正在中國建造的愛因斯坦探測望遠鏡。

我們預計將來會有更多這樣的情況，更多的黑洞會被發現，我們會對黑洞如何經歷潮汐解體過程有更清楚的了解。

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