銀河系黑洞：近來我有點煩躁
2023-04-01 07:08:41 2
它的「暴躁脾氣」會對我們的星球產生什麼影響？
通過多年的連續觀察，我們發現銀河系中心的黑洞正在逐漸「坐立不安」，變得越來越活躍。......
黑洞:你只看到我的皮膚
黑洞是廣義相對論預言的超緻密天體。它以強大的引力吸引一些物質，就像宇宙中的「怪物」，吞噬宇宙中的一切。幾乎所有的星系中心都有一個超大質量黑洞。它就像一個威嚴的君主，指揮著銀河系中所有恆星的運動，吞噬任何入侵自己的「示威者」，並控制著這個巨大星系的「國家」的運作。
在我們銀河系的中心有一個超大質量的黑洞，我們稱之為人馬座A。抬頭望去，它隱藏在人馬座和天蠍座的交界處，隱藏在燦爛的星光下，但卻默默地控制著銀河系的一切。它的質量大約是太陽的400萬倍。它的強大引力使得周圍環境彎曲，甚至光子也無法逃脫。科學家無法通過望遠鏡直接識別黑洞的出現，這使得黑洞的圖像在高空中呈現為「君主」。
(資料來源:npr.org)
幾乎所有的星系中心都有超大質量的黑洞，它們靜靜地隱藏在明亮的中心。
然而，在黑洞的強大引力下，物質會向黑洞下落。這種「下落」過程是螺旋的，物質將在黑洞周圍形成盤狀結構。在這個過程中，由於物質之間的摩擦，摩擦光子有機會被我們看到。科學家可以根據這些特徵「看到」黑洞，但他們實際看到的不是黑洞本身，而是它的「吸積盤」。
去年4月，科學家通過事件地平線望遠鏡(EHT)拍攝了第一張黑洞照片M87星系中的超大質量黑洞。因為它與我們星系中的黑洞非常相似，科學家們相信我們星系中黑洞的未來照片看起來會是一樣的。
(資料來源:Wikipedia.org)
2019年4月，M87星系的黑洞照片由事件地平線望遠鏡(EHT)開發
黑洞和我們想像的不一樣。就像帝王蝶在「大歡喜」和「大怒」之間也有情感變化一樣，黑洞在它們自己的生命歷程中也有相應的「情感」變化。
科學家可以用不同的觀察方法，以「看、聽、問、切」的形式對銀河系中的黑洞進行準確的診斷，從而有助於推測主宰我們銀河系的黑洞的脾氣:它是否像以前一樣平靜(對應於相對穩定的數據)或者它是否突然開始變小(檢測到異常的光子通量變化)。
閃爍的閃光是它不羈的靈魂
科學家經常可以發現黑洞的「閃爍」，尤其是在X射線波段觀察時，因為探測器將在短時間內接收光子，導致流量增加。這是一個與黑洞的「脾氣」有關的耀斑。
耀斑是由一種叫做日冕的神秘結構引發的。你沒聽錯，黑洞也有日冕。我們知道太陽有日冕。太陽的日冕由高速等離子體組成，自由電子是其中之一。
太陽色球和光球的外側是太陽大氣層的最外層。類似於日冕，這種日冕物質也存在於銀河系中心的巨大黑洞周圍。
(資料來源:Wikipedia.org)
在日全食期間，黑暗的太陽被銀白色的光所包圍，這種光呈帽狀並扣在太陽上，因此被稱為日冕。
電暈是耀斑的「罪魁禍首」。在環繞黑洞的吸積盤上有大量高能電子。這些電子相互連接，形成一個結構複雜的黑洞日冕。儘管天文學家知道黑洞上存在日冕，但我們仍然對確切的結構有疑問。也許它就像一個燈泡或三明治餅乾。但可以肯定的是，這些圍繞黑洞旋轉的高能狂躁電子不斷尋找一個窗口來發洩自己，而那些從吸積盤飛出的紫外線光子就是它們的目標。這些狂熱分子和光子之間的相互作用產生更高能量的X射線光子，然後這些光子返回吸積盤並與上述物質相互作用，給我們留下一個「指紋」供光譜學參考。
(來源:美國航天局)
插圖顯示了一個被旋渦吸積盤包圍的超大質量黑洞。紫色的光芒代表黑洞的日冕。它含有高能粒子，可以產生x光
我們可以通過這些指紋來判斷黑洞旋轉的速度，當然我們也可以知道它的脾氣最近是如何變化的。
它變得激動了嗎？
就像人們的情緒一樣，每天都有一些小的波動是正常的，銀河系中心輻射的亮度也圍繞一個基本值波動。然而，結合這些年的觀察數據和科學研究成果，它似乎越來越不安分了。
最近，一組研究小組展示了一系列顯示黑洞不安的發現:越來越多的黑洞X射線耀斑出現在我們的星系中心。
讓我們看看它們是如何增長的。
2013年，一個研究小組藉助錢德拉望遠鏡觀測到45次耀斑，耀斑發生頻率為每天1.3次。
2016年，另一組團隊結合錢德拉望遠鏡再次探測到82顆耀斑，分析的耀斑數量為每天1.6顆。
2017年，一些學者寫了一篇論文說，在使用XMM- Newton、錢德拉塞卡和斯威夫特之後，在一定時期內觀察到107起此類事件，計算出的平均發生率約為每天3次。
2018年，另一個人分析了錢德拉望遠鏡2012年至2018年的探測結果，挖掘出58個被掩蓋的新案例，計算出的平均耀斑發生率約為每天3次。
(紙張插圖)
前兩臺x射線望遠鏡獲得了1999年至2018年黑洞耀斑的變化，橫坐標是觀測到的亮度，縱坐標反映了耀斑的持續時間
越來越多的觀察表明，我們面前的黑洞變得越來越活躍。科學家們將大部分x光觀察數據來回組合。經過激烈的分析後，主要結論是黑洞確實越來越頻繁地閃爍，至少在X射線波段是這樣。
(拼接自組網圖)
揭示黑洞X射線耀斑的「三駕馬車」左上方是錢德拉望遠鏡，左下方是XMM- Newton望遠鏡，右側是斯威夫特X射線觀測設備。它們是本世紀初X射線天文學的主要觀測設備，黑洞的X射線輻射正是它們施展才華的地方。
刺激通常不反映在一個方面。
尋找黑洞的過程與盲人觸摸圖像的過程非常相似。
我們不能用上帝的視角來看待一切，所以我們需要依靠我們自己觀察到的數據來預測「大象」黑洞的真相。盲人接觸大象越多，我們能給出的關於大象的描述性詞語就越多。通過把這些單詞拼在一起，我們可以慢慢拼在一起，描繪出大象。x光波段相當於一個「盲人」觸摸銀河系中心的黑洞。此外，在電磁波譜的近紅外和無線電波段有兩個助手參與「觸摸圖像」。
自2003年以來，在近紅外波段，黑洞耀斑的頻率逐年增加。從2003年到13年間美國的甚大望遠鏡(VLT)和凱克望遠鏡的間歇性觀測結果來看，我們確實發現黑洞的活動逐年增加。就在去年，黑洞還在這個波段經歷了一次劇烈的閃爍事件。閃爍亮度達到其平均亮度的75倍，這也是在該波段從未觀察到的最亮值。
(Wikipedia.org)
夏威夷的凱克天文臺可以收集來自宇宙各個方向的紅外線
就無線電頻率而言，一些大型射電望遠鏡陣列也捕捉到了不斷增加的通量。雖然與X射線耀斑每天大約三次的閃爍頻率相比，射頻波段的閃爍只在幾天內出現一次，但它也隱約與黑洞的煩躁聯繫在一起。至於為什麼兩者的閃爍時間不一致，科學家們懷疑可能有不同的物理機制，這使得在不同波段觀察到的黑洞閃爍不一致。這也可能與望遠鏡的解析度有關。
還記得去年四月首次揭示黑洞圖像的視界望遠鏡(EHT)嗎？文章開頭的第一張黑洞照片是由「照相機」拍攝的。通過整合世界上的一些大型無線電陣列，我們獲得了一個有效直徑可達地球大小的超級「望遠鏡」。天文學家認為，這種方法可以讓我們的千裡眼看得更清楚、更遠。去年，科學家用這雙眼睛揭示了下一個星系M87中黑洞的真實面目。下一步是對我們銀河系的中央黑洞進行「外科」研究。
我們應該擔心嗎？
也許有些朋友擔心黑洞越來越激動的脾氣是否會影響我們。你知道，我們的太陽位於銀河系的邊緣，它主宰著我們的銀河系。黑洞離我們有27000光年遠，已經到達黑洞的邊緣。
天空很高，皇帝很遠。在如此大的範圍內，黑洞的煩躁對我們來說不算什麼。
在一系列關於摧毀地球的傳聞中，除了小行星撞擊，席捲地球的超強伽馬射線爆發也是一個值得考慮的因素。目前，根據我們對黑洞的研究發現，我們的黑洞出現後一種情況的概率與太陽明天會熄滅的概率相似。因此，我們可以安全地做我們應該做的事情，而不用擔心黑洞對我們星球的影響。
一些科學家認為黑洞目前的「惡作劇行為」只是一個暫時的惡作劇，可能會在一分鐘內結束。也有可能我們的黑洞在其成長過程中正在經歷一場「蛻變」，在叛逆時期開始從「兒童」向「青少年」轉變。這些閃爍耀斑的頻率將變得越來越頻繁和強烈。
科學，在探索未知的道路上總是有許多疑惑和未知。我們應該放下危言聳聽的包袱，期待科學家們利用金色的眼睛向我們揭示銀河系中心超大質量黑洞的真實面目，這個黑洞一直是「在她的吉他後面，我們看不到她的半張臉」。
參考
