一颗被命名为G2的巨大天体预计将于今年3月与人马座A*进行一场危险的会晤，天文学家对此十分期待。

 

 

天文观测者在1963年发现了一批神秘的类星体。这些类星体并不是普通恒星的奇异形态：它们异常明亮，胜过数十亿颗恒星的总和，而如此明亮的星体体积却极小，最大也不会超过太阳系的体积。此外，它们能发出惊人的辐射，即使远在数十亿光年之外的地球也能观测得到。根据爱因斯坦的广义相对论，如此庞大的能量蕴含在如此狭小的空间内会导致时空的扭曲，这里的物质将“塌缩”形成一个巨大的黑洞。一个太阳系大小的黑洞蕴含的能量是太阳的数百万甚至数十亿倍。这种推断在当时看来就像科幻小说一般荒诞离奇。

 

但天文学家很快证明黑洞并不只存在于类星体内部，宇宙中所有星系的中心都有它们的身影，银河系也不例外。

 

 

黑洞具有强大引力，宇宙中的恒星、气体和尘埃在经过星系中心时，将沿着螺旋状的轨道沉入其中，形成吸积盘。物质在“塌缩”过程中将变得越来越热，当最终抵达黑洞的事件视界时，其42%的质量已被转化为能量。事件视界即事象地平面，是一种时空的曲隔界线，在事件视界以外的观察者无法利用任何物理方法获得事件视界以内的任何事件的信息，甚至连光都无法逃脱。

 

黑洞释放能量的形式有热能和光，但更加普遍的形式是由超高速粒子组成的喷流。喷流与吸积盘呈垂直状态，并会同时向正反两个方向喷射，距离可达数千甚至数百万秒差距之远（1秒差距等于3.26光年）。若喷流正对着地球，那么黑洞看上去就像一个类星体；若喷流方向在地球侧方，那么黑洞看上去则像是一片具有一颗活跃星系核的星系；若黑洞周围没有足够物质可供吸收，那么黑洞将会是“隐形”的。

 

黑洞究竟如何产生并释放出如此庞大的能量呢？一些巡天观测指出，从黑洞喷射出的喷流的能量是其初始能量的3倍。若果真如此的话，这将完全违背能量守恒定律。

 

 

为了解开喷流生成之谜，美国加州斯坦福大学物理学家Roger Blandford设计出了一个黑洞模型。它的自转速度极快并伴有强力磁场，磁力线能向外延伸到极远的距离，像钢丝一般缠绕在吸积盘上，拖拽着吸积盘上的太空气体沿着漩涡一起转动。尽管人类无法直接观测到具备如此特性的黑洞，但在理论上却是存在的。模拟结果显示：在适当条件下，磁力场能够将黑洞自转能量转化到吸积盘上，从而为喷流提供能量。

 

2012年，美国宇航局（NASA）发射的核光谱望远镜阵列（NuSTAR）是第一台专门用于黑洞研究的太空望远镜。近期，NuSTAR首次对一个超大质量黑洞进行了精确测量，结果显示，这个超大质量黑洞正以非常快的速度自转。在高自转速度下，被吸入物质与事件视界间的距离将会缩短，逃离黑洞的X射线受强重力影响将产生红移现象，即波长变长，频率降低。

 

尽管天文学家早就发现这一现象，但他们在那时无法排除这也可能是气体云遮盖吸积盘的结果。而NuSTAR对X射线的敏感度是原先天文望远镜的10倍，能够穿透任何气体云。帕萨迪纳市加州理工学院天文学家、NuSTAR首席科学家Fiona Harrison在去年12月发表的一份报告中提到：NuSTAR从距离地球相对较近的螺旋星云NGC 1365内清晰捕捉到X射线的红移现象。综合考虑由欧洲空间局的XMM牛顿卫星所测量的低能量X射线数据后，该报告认为：位于NGC 1365中心的黑洞正以爱因斯坦理论中的最高速度自转。若将它自转的能量释放出来，将撕裂NGC 1365整个星空。

 

Harrison解释道，黑洞的自转速度如同化石痕迹一般，天文学家能够据此研究它的形成过程。小质量黑洞可经由一颗恒星的塌陷而形成，而超大质量黑洞的质量太大，根本无法依靠单独的恒星形成。若超大质量黑洞是由许多小质量黑洞融合而成，则每一次融合都将促使黑洞朝任意方向自转。经过数百万甚至数十亿年的融合后，发育完全的黑洞的自转速度将趋近于0。若超大质量黑洞是由数个中等质量黑洞组成，其形成过程将会加快，且各个组成部分之间不必非要“决斗”出最后的胜者，因此最终黑洞的自转速度将非常快。

 

 

但在宇宙初期，自转速度太快也会给黑洞生长造成困扰，哈佛大学-史密森天体物理中心的Avi Loeb补充道。自转速度极快的黑洞会“拉”着吸积盘的内部边缘一起转动，使得吸积盘内的物质与事件视界的距离变远，“塌缩”速度变慢，而“塌缩”过程的延长使吸积盘能够将更多质量转换为能量。

 

Loeb认为，强力磁场能够将黑洞自转的能量转化到吸积盘上，只需极短时间便可减慢黑洞的自转速度，使更多物质沉入黑洞之中，从而保证黑洞质量堆积的顺利进行。如果强力磁场真有这样的效果，未来更先进的测量手段将证明超大质量黑洞是能以相对适中的速度自转的。

 

但有时候过于强大的磁场对黑洞来说并非好事。人马座A*是距离地球最近的大质量黑洞，位于银河系中心，与地球相距8300秒差距，其质量为太阳的400万倍。不过与超大质量黑洞相比，它的“体型”还是太小，释放出的能量也很少。

 

究其原因，既可以简单地解释为银河系中心并没有大量宇宙气体和尘埃可供人马座A*吸收，也可以像科罗拉多大学波德分校天体物理学家Mitchell Begelman所说的那样，物质被强力磁场给“抢走”了。

 

去年，NuSTAR发现在距人马座A*极近的位置存在一颗具有强力磁场的中子星，即磁星。天文学家对这颗磁星的射电辐射进行分析后发现，它的磁场强度极高，在其覆盖范围内，原本属于人马座A*的“食物”被它“抢走”了。

 

一颗被命名为G2的巨大天体预计将于今年3月与人马座A*进行一场“危险的会晤”，天文学家对此十分期待。G2既有可能是一团气体云，也有可能是一颗被包裹在膨胀气团里的恒星，无论如何它必将被人马座A*撕裂。加州大学洛杉矶分校天文学家Andrea Ghez分析称，若G2是气体云，会有一场极其壮观的“烟花表演”上演；若它是一颗恒星，则会紧紧地将自己“裹”在气团内，只有极少的物质能落入人马座A*的“口中”。

 

在接下来的数年内，阿塔卡马大毫米/亚毫米阵列（ALMA）内的全部64台射电天线将与世界其他的射电望远镜相连，以超高分辨率拍摄人马座A*是如何通过扭曲远距离物体的辐射，从而使之围绕自身形成圆环，或者说形成阴影。所有人都期待验证人马座A*的阴影是否真如爱因斯坦理论所预期的那般；若与预期不同，或者说如果广义相对论没有正确地反映黑洞周围的时空，新设立的射电望远镜网络也能为新理论的诞生提供关键线索。（段歆涔）

 

《中国科学报》 (2014-01-23 第3版    国际)