國(guó)際空間站直擊黑洞“吃星星” 宇宙學(xué)上稱為“黑洞瞬變”事件

宇宙世界其實(shí)是很奇幻的，很多事件的出現(xiàn)，難以用語(yǔ)言描述。在科幻電影《星際穿越》中，男主角進(jìn)入黑洞后并未被引力撕碎，而是來到了一個(gè)奇跡的高維空間。黑洞吃進(jìn)物體后會(huì)發(fā)生什么？人類現(xiàn)有的科學(xué)水平尚不能完全回答這個(gè)問題，只能從黑洞吃星星時(shí)“打嗝”出的光波略窺一二。

北京時(shí)間1月10日凌晨，世界頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊、英國(guó)《自然》雜志（Nature）的封面論文，即講述了對(duì)一次黑洞吃星星過程的觀測(cè)研究，在宇宙學(xué)上稱為“黑洞瞬變”事件。

死亡共舞

黑洞作為一類極端天體，是恒星們的其中一種特殊歸宿。隨著恒星核聚變的燃料殆盡，質(zhì)量小一些的內(nèi)部坍塌成白矮星，質(zhì)量大一些的則會(huì)坍塌成中子星或黑洞。

根據(jù)愛因斯坦引力場(chǎng)方程的計(jì)算，如果大量物質(zhì)集中于空間一點(diǎn)，奇點(diǎn)周圍會(huì)形成時(shí)空扭曲的“視界”，一旦進(jìn)入這個(gè)界面，連光子也無法逃逸，故而稱為“黑洞”。

黑洞本身雖無光，但大量彌散物質(zhì)被吸附在黑洞周圍轉(zhuǎn)動(dòng)，形成一個(gè)發(fā)光的盤狀結(jié)構(gòu)。一旦天體進(jìn)入吸積盤的范圍，就開始被黑洞吞噬。

而沿著這個(gè)“吸積盤”中軸線的上下兩端上，科學(xué)家們還發(fā)現(xiàn)了神秘的黑洞“光冕”，與太陽(yáng)的“日冕”相似，是一團(tuán)致密的超高溫等離子體。

《自然》封面論文

正如封面圖片所描繪的，黑洞吞噬恒星的過程以“雙星共舞”的形式展開。恒星或白矮星圍繞著黑洞旋轉(zhuǎn)，物質(zhì)不斷被吸收，釋放出巨大的引力波和能量，高速等離子噴流從黑洞中逃逸而出，形成明亮的光柱。

也就是說，黑洞雖然如饕餮般吞食一切，卻不能吃得干干凈凈，總是“打嗝”，給天文學(xué)家留下可以研究的線索。

“黑洞”中的水滴聲

2018年3月6日，位于智利安第斯山脈托洛洛山頂?shù)膬膳_(tái)“全天自動(dòng)超新星搜索項(xiàng)目”望遠(yuǎn)鏡捕收獲了一個(gè)編號(hào)為ASASSN-18ey的光學(xué)信號(hào)。5天后，國(guó)際空間站上搭載的全天X射線圖像監(jiān)視器（MAXI）捕捉到了一個(gè)編號(hào)為MAXI J1820+070的X射線源。兩相比對(duì)后，天文學(xué)家們初步確定這兩個(gè)信號(hào)來自同一個(gè)正在吞噬天體的黑洞，形成一個(gè)黑洞雙系統(tǒng)。

值得一提的是，該信號(hào)源十分明亮，約在3260光年之外，這已經(jīng)是目前人類發(fā)現(xiàn)的黑洞雙系統(tǒng)中距離地球最近的。

消息公開后，世界范圍內(nèi)十?dāng)?shù)臺(tái)地面望遠(yuǎn)鏡和空間設(shè)備瞄準(zhǔn)信號(hào)源，接收分析不同頻段的數(shù)據(jù)。其中就包括同樣位于國(guó)際空間站上的中子星內(nèi)部組成探測(cè)器（NICER）。該載荷針對(duì)中子星周圍的極端引力、電磁場(chǎng)和核物理學(xué)設(shè)計(jì)，專門探測(cè)極端高密度和高壓下的奇妙物質(zhì)狀態(tài)，因而也適用于黑洞的觀測(cè)。

為了理解探測(cè)器的工作方式，你可以想象一個(gè)“漆黑的山洞”中的水滴。你先聽到水滴聲，再聽到水滴聲反彈到洞壁上的回聲。水滴聲和回聲間的間隔越長(zhǎng)，山洞的大小就越大。

對(duì)于黑洞而言，“水滴聲”就是從光冕中射出的X射線光子，而“回聲”就是光冕與吸積盤內(nèi)緣相互作用后二次射出的X射線光子。

黑洞“吃星星”后吸積盤和光冕發(fā)生的變化

探測(cè)器由52對(duì)X射線收集器組成，可以記錄單個(gè)X涉嫌光子抵達(dá)的時(shí)間和能量，時(shí)間分辨率達(dá)到100納秒以內(nèi)，比美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的上一代最精確的X射線計(jì)時(shí)器快上25倍。

正因如此，這個(gè)美、英、荷、日聯(lián)合團(tuán)隊(duì)才能夠捕捉到黑洞瞬變過程中X射線光譜的微妙變化：在吃下星星后，黑洞的吸積盤大小保持得相當(dāng)穩(wěn)定，光冕的尺寸卻收縮了。

這與此前預(yù)測(cè)的一種“吸積盤截?cái)嗄Ｐ?ldquo;相左。此前，一些科學(xué)家們推測(cè)黑洞吃星星時(shí)吸積盤旋轉(zhuǎn)速度變快，從而收縮。如今，高精度的X射線探測(cè)器描述了不同的圖景。不過，為了排除個(gè)例的特殊性，這種新的描述模型尚需更多的案例檢驗(yàn)。