發現圍繞一個巨大黑洞“下沉”的“晃動熱點”，為我們星系中心的龐然大物提供了令人興奮的新證據——研究負責人分享了13年的觀測如何最終獲得了回報。
這項新研究由加拿大安大略省滑鐵盧大學的天文學家艾弗裡·布羅德里克參與，揭示了來自銀河系中心黑洞（也稱為人馬座 A*）的三個耀斑或視覺熱點。
該團隊探測到來自耀斑的發射晃動，使科學家能夠檢測到吸積盤——一個不斷增長的圍繞黑洞本身的軌道氣體和碎片質量。布羅德里克告訴 Space.com，反過來，研究人員能夠使用這些排放物來繪製人馬座 A* 的行為。[圖片：宇宙的黑洞]
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布羅德里克的黑洞理論建立在兩個團隊早期研究銀河系近紅外中心的研究基礎上。這包括德國加興馬克斯·普朗克地外物理研究所的天文學家賴因哈德·根澤爾，以及加州大學洛杉磯分校的研究人員安德里亞·蓋茲和馬克·莫里斯的工作。布羅德里克說，當時，他們的研究表明，銀河系的中心並不穩定，而是大約每天都會突然變亮約30或40分鐘。
研究人員認為，超大質量黑洞存在於大多數（如果不是全部）大型星系的中心。因此，2005 年，在哈佛-史密森尼天體物理中心與研究員艾維·勒布一起工作時，布羅德里克認為，在銀河系中心觀察到的週期性變亮，也被稱為明亮的紅外耀斑，是像黑洞這樣的巨大物體造成的。
這個理論得到了一個非常明亮、密集的恆星群的證據的進一步支援，這個恆星群被稱為核星團，它圍繞著銀河系的中心區域。此外，紅外觀測表明，星系最中心的恆星圍繞著一個估計有400萬個太陽質量大小的黑暗物體執行，這再次表明存在一個黑洞，布羅德里克說。
儘管如此，仍然沒有足夠的資料來證明黑洞確實存在於銀河系的中心，布羅德里克補充說——直到現在。
突然的耀斑行為
布羅德里克的團隊最近檢測到的三個耀斑來自銀河系的中心區域，是黑洞引力透鏡的產物，布羅德里克說。
“黑洞就像燈塔的透鏡。[存在]一個局部發射區域，但導致耀斑的並不是發射區域本身的突然變亮，”布羅德里克說。相反，黑洞的引力彎曲了來自發射的光，並將其放大以供我們觀察。“這就是導致耀斑的原因——極端引力的表現。”
基於此，布羅德里克和勒布最初預測，由於圍繞黑洞的軌道運動，嵌入在人馬座 A* 周圍的吸積盤中的物體會在其紅外發射中表現出明顯的晃動。研究人員在2005年的一篇論文以及2006年的一項後續研究中發表了他們的理論。然而，當時，該技術還無法檢測到這種晃動，布羅德里克說。
這一切都隨著2016年歐洲南方天文臺甚大望遠鏡上GRAVITY儀器的發射而改變。GRAVITY儀器的精度和靈敏度幫助天文學家探測到來自圍繞人馬座 A* 旋轉的吸積盤中三個耀斑的發射晃動。他們的發現於10月18日發表在《天文學與天體物理學》雜誌上。
布羅德里克說，“雖然耀斑已經存在很長時間了……這裡的關鍵發現是耀斑的特徵性晃動，”這表明產生這些耀斑的物質正在圍繞黑洞移動。
在人馬座 A* 附近觀察到的耀斑發生在靠近黑洞的磁場線斷裂並重新連線時。這個過程也稱為磁重聯，釋放出大量的能量和帶電粒子，導致了明顯的閃光。由於它們圍繞黑洞的軌道運動，耀斑的紅外發射表現出特徵性的晃動。具體來說，當嵌入在吸積流中的其他發射物圍繞星系中心移動時，光中心會移動或“晃動”，布羅德里克說。
在黑洞事件視界之外旋轉的物質以大約三分之一的光速旋轉。耀斑的軌道週期（完成一個軌道所需的時間）與晃動的時間相同，天文學家觀測到每40到50分鐘一次。短暫的時間尺度是黑洞引力強度的結果，表明物質正在極其靠近黑洞的軌道上執行，布羅德里克說。
布羅德里克說，“十三年前，我們的說法是這些耀斑與[銀河系中心]的結構可變性有關，我們將能夠使用這種結構可變性來說明廣義相對論和強引力”。“令人興奮的是，[這個說法]似乎是真的。”
證明存在黑洞
來自耀斑的發射晃動並不是唯一表明在銀河系中心存在超大質量黑洞的跡象。毫無疑問，一個質量約為太陽400萬倍的超大質量物體位於我們的銀河系核心，但證明它是一個黑洞一直具有挑戰性。
然而，銀河系的中心也是一個由超過50萬顆恆星組成的核星團的所在地。根據阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對論，天文學家可以透過測量軌道恆星和氣體的速度來估計潛伏在銀河系中心的物體的質量。這進一步支援了400萬個太陽質量的物體是一個超大質量黑洞的觀點，布羅德里克說。
布羅德里克說，“我們所知的沒有其他物體可以在如此緊湊的配置中維持所有這些質量而不發生坍縮”。“如果不是黑洞，那麼它必須是非常奇特的，並且超出了我們今天所理解的範圍。”
此外，觀測表明物質確實從我們的銀河系中心消失了。當這些物質被向內拉向中心時，它會被困在黑洞不斷增長的吸積盤中。雖然吸積盤中的大多數物質都安全地繞著人馬座 A* 旋轉，但太接近的物質可能會被拉過事件視界，即超過這一點就無法逃脫黑洞引力的地方。布羅德里克說，研究人員可以看到物質流向事件視界產生的摩擦導致物質變亮。
布羅德里克說，“這變成了一種‘它去了哪裡？’的論證”。“我們有這種物質，我們知道它正在向黑洞墜落，因為我們看到了它的吸積光度，但我們沒有看到相應的撞擊光度。因此，它一定在某個地方消失了。”
因此，存在一個事件視界，其後是一個黑洞，這是我們銀河系中心觀測到的行為的最合乎邏輯的解釋，布羅德里克說。
布羅德里克說，“在個人層面上看到一個預測真的應驗了，這非常令人興奮”。“我認為這標誌著科學史上一個時刻，黑洞正從某種好奇之物變成一種根本真實的東西。”
編者注：這個故事已經從早期版本中進行了更正，該版本將艾弗裡·布羅德里克稱為新研究的主要作者。這項新研究由 GRAVITY 合作組織的天文學家領導，並進一步支援了布羅德里克在 2005 年最初提出的理論。
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