一個厚厚的吸積盤在超大質(zhì)量黑洞的“咽喉”處形成渦流?？茖W(xué)家利用來自吸積盤的X射線所產(chǎn)生的“反響”，測繪出吸積盤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。該方法比任何望遠鏡的直接觀測結(jié)果都更有效。
插圖：NASA/SWIFT/AURORE SIMONNET, SONOMA STATE UNIV.
撰文：NADIA DRAKE
去年，科學(xué)家們發(fā)布了一則重磅新聞，宣布直接拍到了黑洞的照片。人類因此得以看到這頭怪獸的“咽喉”究竟有何物?，F(xiàn)在，天文學(xué)家利用一種不同的X射線“反響”技術(shù)，更近一步地窺探了這些引力巨獸的模樣。
這個備受關(guān)注的黑洞位于星系IRAS 13224-3809中心，距離地球約10億光年。這顆超大質(zhì)量黑洞周圍環(huán)繞著高達百萬度高溫的物質(zhì)吸積盤，表面覆蓋的X射線冠狀物（corona）溫度更是超過10億度?？茖W(xué)家們通過分析這些X射線的變化，描繪出了這個黑洞事件視界（event horizon）周圍區(qū)域的詳細圖像。（事件視界是區(qū)隔時空的界限，甚至光線都無法逃逸。）
“黑洞本身并不發(fā)光，因此研究它的唯一方法就是觀察落入其中的物質(zhì)會產(chǎn)生什么變化。”英國劍橋大學(xué)的William Alston說道。他的團隊近日在《自然天文學(xué)》期刊上發(fā)表了研究成果。
去年的那張黑洞照片是由事件視界望遠鏡（Event Horizon Telescope）拍攝的，而新的測量方法更加精確。對這個黑洞的最新測量，讓科學(xué)家們確定了其質(zhì)量和轉(zhuǎn)速等關(guān)鍵線索，有助于科學(xué)家們進一步研究其演變過程。如果科學(xué)家能對周邊的超大質(zhì)量黑洞群體都進行類似的測量，就可以對星系的成長過程有更多了解。
Alston說：“理解許多星系里諸多黑洞的自旋分布情況，能讓我們了解早期宇宙是如何演變成如今我們看到的樣子的。”
回波映射法
雖然星系IRAS 13224-3809的名字冗長難記，但它是X射線星空下最令人興奮的星系之一。原因在于它是一個活躍星系，意味著它最內(nèi)部區(qū)域的閃耀亮度，遠非恒星本身所能解釋，而且其X射線亮度以50倍系數(shù)漲落，有時候還能持續(xù)數(shù)小時。Alston及其同事之所以選擇研究這個星系，是因為他們想要一個動態(tài)的、波動的源，來幫助他們確定星系中心黑洞的具體特征。
為實現(xiàn)這一目的，Alston及其同事們使用歐洲航空局的XMM-Newton探測器來研究星系IRAS 13224-3809。XMM-Newton探測器是一個繞地球運行的望遠鏡，能夠以X射線波段觀測宇宙。2011年至2016年間，該探測器在16圈繞地飛行過程中對這個星系進行了觀測，總觀測時長超過550小時。
Alston及其同事從這些海量數(shù)據(jù)中，組合出了一張超大質(zhì)量黑洞X射線冠狀物，以及環(huán)繞事件視界外側(cè)一圈吸積盤的分布圖。一部分散發(fā)出的X射線直接射向宇宙，另一些則被甩入吸積盤，花了稍長的時間才逃脫。
Alston解釋說：“這段稍長的路程，使冠狀物產(chǎn)生的、不同方向的X射線之間產(chǎn)生了時間延遲。我們可以測量這一回聲，即這一時間延遲——我們將其稱之為反響（reverberation）?！?/p>
這一技術(shù)名為反響映射法（reverberation mapping），能幫助科學(xué)家探測黑洞周圍的氣態(tài)物質(zhì)。Alston將這種方法比作回波定位法（蝙蝠等動物能利用回波來幫助它們在飛行中確定物體位置）。與事件視界望遠鏡合成近處黑洞圖像的過程不同，反響映射法可用于研究非常遙遠的天體，并探測距離事件視界更近的區(qū)域。
美國佐治亞州立大學(xué)的Misty Bentz同樣使用該方法研究遙遠黑洞，他說：“反響映射法根本不依賴于空間分辨率。相反，它利用天體內(nèi)部的光回波來研究天體結(jié)構(gòu)，甚至可以研究非常小、非常遠的天體。”
事件視界望遠鏡拍攝的這張圖像，展示的是附近星系M87中心的黑洞。
圖源：EVENT HORIZON TELESCOPE COLLABORATION
轉(zhuǎn)速驚人
從星系IRAS 13224-3809中捕捉的光回波，讓Alston及其團隊確定了黑洞周圍物質(zhì)的精確幾何結(jié)構(gòu)，包括動態(tài)X射線冠狀物的維度。然后，該團隊利用這一信息來計算黑洞的質(zhì)量和自旋，而這兩個特征并不會因人類的時間尺度而發(fā)生變化。
Alston說：“為了測量這個黑洞的質(zhì)量和自旋，我們需要知道氣體在落入黑洞之前的確切位置?！笨茖W(xué)家們曾用該方法研究過超大質(zhì)量黑洞，但是與星系IRAS 13224-3809中的黑洞相比，以前那些觀測的時間沒有那么長，光源也沒有那么多變。
該團隊總結(jié)稱，根據(jù)新的映射測繪結(jié)果，這個超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量相當于200萬顆太陽，并以物理定律下盡可能快的速度自旋。美國佐治亞州立大學(xué)的Misty Bentz（并未參與本研究）稱，作者們大量的觀測使得這一結(jié)論極具說服力。
Misty Bentz說：“作者們進行了16次相同的試驗，次數(shù)比任何之前的研究都多。這讓他們篩選出了那些未發(fā)生變化的屬性。”
Alston及其團隊還拼合出了黑洞周圍X射線冠狀物隨時間變化的動態(tài)圖像，其尺寸在一天之內(nèi)的變化有點顯著。
星系種子
似乎宇宙中每個大星系都被錨定在中心的超大質(zhì)量黑洞。破解這些“錨”自旋的方式，能夠幫助理解這些“錨”及其宿主星系的形成演化過程。
Alston說：“有一件事我們還不知道，那就是超大質(zhì)量黑洞是如何形成的。它們在早期宇宙中的‘種子’是什么？目前我們的諸多模型所預(yù)測的‘種子’都太小，實際無法成長得那么快?！?/p>
Alston介紹說，星系形成的一種方式就是多個小星系的碰撞、并合。星系并合時，中心的黑洞也會并合。如果星系的碰撞混亂無序，不僅會對最終大黑洞的質(zhì)量產(chǎn)生影響，還會影響它的自旋方式。
黑洞脹大的另一種方式是通過源源不斷的氣體流入。如此產(chǎn)生的黑洞，其自旋速度可能會更快，星系IRAS 13224-3809中心的黑洞便是如此。不過，Alston稱，目前還無法確定這個特定星系是否曾通過這種方式來增加質(zhì)量。
最終，Alston及其團隊將利用反響映射法來確定周圍數(shù)百個超大質(zhì)量黑洞的自旋及其形成歷史，實際上相當于對這類天體做一次大普查。之后，基于這些黑洞的距離，科學(xué)家們將進一步研究星系在宇宙歷史中的生長過程。
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