一股股气体坠入黑洞,永远与宇宙其他部分隔离。在这些气体碎屑的最后时刻,它们发出最后一束光,而这是宇宙中最明亮的辐射之一。对人类来说,这些气体的“死亡坠落”距离太远,无法直接观测。但是,天文学家设计了一种新技术,可以探测到它们最后的辐射痕迹,得以了解宇宙中最极端的引力环境。
在这项新研究中,物理学家通过观察特定的辐射特征,计算出了避免落入黑洞的最近距离。这个阈值被称为“最内层稳定圆形轨道”(innermost stable circular orbit,简称ISCO)。利用这种方法,未来更灵敏的X射线望远镜或许能真正揭开这一轨道的神秘面纱。
黑洞无疑是宇宙中最神秘的天体,他们隐匿在黑暗中,吞噬着一切进入的光线。无论体型大小,所有黑洞都有着共同的特征,这就是事件视界。越过这条线,你就再也回不来了。任何东西一旦穿过事件视界,即使是光本身,也不能再回到宇宙之中。这个区域内的黑洞引力太强大了。然而,在该区域以外,一切如常。
黑洞都具有一定的质量,有的只有数倍太阳质量,分布在较小的星系中;有的是太阳质量的数十亿倍,堪称宇宙中真正的“怪物”。环绕黑洞运转就像绕其他大质量天体一样。引力就是引力,轨道就是轨道。超大质量黑洞因为其强大的引力可以吸积运动到其附近的物质,如气体、恒星等。被吸积的物质通常拥有角动量,会环绕黑洞形成旋转的吸积盘或比较厚的吸积流,其中一部分物质最终会进入黑洞。
因为黑洞的致密性与强引力,黑洞吸积过程会释放大量的引力能,转化为被吸积物质的动能,其中一部分动能会因为气体间的“摩擦”或磁场的作用耗散为气体内能。黑洞吸积过程可能是已知宇宙中能量转化效率最高的物理过程,其能量转化率是热核聚变能量转化率的数十倍。
因此,宇宙中的很多物质都围绕黑洞旋转。一旦这些“莽撞的冒险者”被黑洞的引力包围,它们就开始了向生命终点进发的旅程。当物质落入黑洞时,往往会被挤压成一个圆盘,称为“吸积盘”。这个圆盘不停地旋转,伴随着热量、摩擦、磁能和电能的释放,使其中的物质发出明亮的光。
以质量最大的黑洞为例,它们周围的吸积盘发出光如此强烈,以至于它们有了一个新名字:活动星系核(active galactic nuclei,AGN),其亮度能够超过数百万个单独的星系。在吸积盘中,物质块之间会相互摩擦,吸走各自的转动能,并将它们不断推向黑洞张开的事件视界。但是,如果没有这些摩擦力,物质就可以永远围绕黑洞旋转,就像几十亿年来行星绕着太阳旋转一样。
距离地球最近的黑洞
欧洲南方天文台(ESO)的天文学家取得了一项引人瞩目的发现——他们找到了迄今为止距离地球最近的黑洞。如果结论成立,南半球的人们甚至可以不借助观测设备,肉眼看见这颗黑洞所处的恒星系统。
这个神秘黑洞位于距离地球1000光年的金牛星座南部,该黑洞无法被观测到,它具有强大的引力,以至于没有任何物体,甚至是光,可以逃脱黑洞引力束缚。天文学家最初认为是一个双星系统或者两颗恒星环绕一个质量中心天体,当他们使用MPG/ESO2.2直径陆基望远镜进行深入观测,将该双星系统命名为HR 6819,同时令他们惊奇的是,他们还观测到第三个天体——黑洞。
虽然天文学家无法直接观测该黑洞,但他们能够依据黑洞与两颗伴星的引力相互作用来推断其存在。通过几个月的观测,他们能够绘制出恒星运行轨道,并推断出另一个巨大、看不见的天体在该双星系统中起到重要作用。
观测结果还显示,该双星系统中一颗每40天围绕这个无形天体一圈,而另一颗则在距离无形天体更远的区域独立存在。他们计算出该无形天体是一个恒星质量等级的黑洞,由一颗垂死恒星坍缩形成的黑洞,大约是太阳质量的4倍。
除HR 6819黑洞之外,距离地球最近的黑洞位于3000光年之遥的麒麟星座,但科学家分析仍可能存在距离更近的潜在黑洞,可能仅在银河系存在数百万个黑洞。所以在我们附近,可能隐藏有更多黑洞。
气体的消失
然而,随着越来越靠近黑洞中心,你会到达一个点,在那里所有维持稳定的希望都将在引力的作用下破灭。此时你还在黑洞之外,尚未到达事件视界,但引力已经变得非常极端,以至于不可能有稳定的轨道。
去年发表的人类首张黑洞照片,让我们在黑洞边缘这样引力极强的环境下验证广义相对论。EHT此次公布的发现,来自梅西耶87(M87)黑洞。黑洞会在周围吸积气体的辐射构成的“背景墙”上投下一个剪影。之所以会形成这样一个“阴影”,是因为黑洞会把从它背后发出并射向观测者的光线全部吞噬。与此同时,从黑洞背后发出又刚好擦过视界的其他光线,会使“阴影”周围增亮而形成一片明亮区域。强大的引力透镜效应会弯折光线,就连处在黑洞正后方的物质发出的光线,都能被弯折到黑暗区域的周围贡献一部分“光亮”。