我們傾向於認為黑洞會吞噬周圍的所有物質——但它們實際上可以噴出與吸入量一樣多的物質。有時它們似乎會變得完全瘋狂。
天文學家最近發現一個距離地球近 10,000 光年的黑洞，噴射出巨大的 X 射線光爆炸。對這次爆發的測量使科學家們對黑洞爆發能量時會發生什麼有了迄今為止最清晰的認識。“我們的一個大問題是，我們如何從物質流入黑洞的過程過渡到物質流出的過程？”馬里蘭大學帕克分校的天文學家艾琳·卡拉說，她是本週發表在《自然》雜誌上一篇關於這項發現的論文的主要作者。“我們知道這種情況正在發生，但我們不瞭解它的詳細工作原理。”卡拉星期三在西雅圖舉行的美國天文學會年會上介紹了這項發現。
這次爆發始於 2018 年 3 月 11 日，並迅速將一個望遠鏡完全看不到的黑洞轉變成整個天空中最亮的物體之一（就 X 射線光而言）。這個名為 MAXI J1820+070 的物體最初是由國際空間站上的全天 X 射線影像監測器 (MAXI) 實驗發現的。空間站上的另一個天文臺，中子星內部成分探測器 (NICER)，在接下來的幾個月裡，幾乎每天都對耀斑進行觀測。
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天文學家不僅測量了黑洞在這段時間內的極度變亮，他們還觀察到他們稱之為“光回波”的現象——來自黑洞周圍兩個不同區域的 X 射線光之間的時間延遲。一些光直接來自一個稱為日冕的區域，該區域由靠近黑洞的電子和其他帶電粒子組成。更遠且垂直於日冕的是“吸積盤”——一個更寬的 газовый блин 圍繞黑洞旋轉並落入其中。另一些光線從日冕中發出並從這個盤上反射出來，稍後到達 NICER 探測器。隨著 NICER 觀察到爆發，回波之間的時間變得越來越短，表明盤和日冕之間的距離正在縮小。科學家們有證據表明盤的邊界沒有變化，因此他們得出結論，日冕本身一定在變短，因此光線不必傳播那麼遠才能到達盤。“這是迄今為止最清晰地探測到來自我們銀河系類恆星黑洞吸積氣體光回波的例子，”斯坦福大學的天體物理學家丹·威爾金斯說，他沒有參與這項研究。“能夠探測到爆發過程中回波之間的時間延遲變化，意味著我們可以開始瞭解黑洞周圍正在發生的事情。”
這張插圖顯示了來自黑洞日冕（藍色）的 X 射線從其吸積盤（橙色）反射出來。對這些回波進行計時有助於科學家確定日冕正在隨著時間推移而縮小。圖片來源：美國宇航局戈達德太空飛行中心
專注於日冕尤其有幫助，因為科學家認為這個區域很可能是發射強大粒子束和光束（稱為相對論性噴流）的基地。這些噴流以接近光速的速度傳播，並且可以從宇宙各處的黑洞中被發現。“從我的角度來看，這篇論文的最大樂趣在於，我們真的可以‘看到’日冕在爆發演變過程中縮小，”佛羅里達大學的斯蒂芬·艾肯伯裡說，他是這篇新論文的合著者。“我不知道對這種‘收縮’有任何真正的理論預測，也不知道之前有任何觀察到這種情況，因此這個結果將需要徹底修改我們現有的關於噴流形成的理論。”
這項研究中的黑洞質量約為太陽的 10 倍。新的觀測結果應該有助於天文學家不僅瞭解像這樣的恆星級黑洞，還能瞭解位於星系中心幷包含數百萬倍質量的巨大“超大質量”黑洞。“這些恆星級質量系統是超大質量黑洞的便捷類似物，”卡拉說。“它們具有相似的組成部分，但我們看到爆發持續數週和數月，而超大質量黑洞的爆發則持續數年。”新的發現支援了一種關於超大質量黑洞日冕如何結構的理論——稱為“燈柱模型”——該模型假設日冕是黑洞上方和下方的燈泡狀斑點，而不是彌散的雲。“這些新的觀測結果與燈柱模型完全一致，”威爾金斯說。“實際上，我們觀察到超大質量黑洞耀斑期間非常相似的行為，看到了日冕大小的變化。”
天文學家希望於 2017 年 6 月發射的 NICER 和其他新的天文臺將在未來觀測到更多的爆發，並幫助填補爆發黑洞的缺失細節。“現在是從事這項工作的激動人心的時刻，”維拉諾瓦大學的物理學家、新論文的合著者喬伊·尼爾森說。“我們正達到一個觀測實際上領先於理論的程度。新的任務使我們能夠看到以前不一定想到的事物。”