银河系中心附近耀斑的特征性“晃动”：证实黑洞存在

北京时间11月23日消息，据国外媒体报道，天文学家发现，在一个大质量黑洞的喷流周围存在着围绕其运转的“热斑”（hotspot），并且表现出特征性的红外辐射“晃动”，这为银河系中心存在一个超大质量黑洞提供了新的证据。加拿大滑铁卢大学的天文学家艾弗里·布罗德里克（Avery Broderick）多年前就参与构建了银河系中心黑洞的模型，他表示，13年来的观测终于获得了回报。

▲银河系中心不仅有超大质量黑洞，还有一个庞大的核心团

这项新研究涉及到布罗德里克多年前的工作。研究结果显示，银河系中心的黑洞——称为人马座A*（Sagittarius A*）——发出了3个耀斑（又称为可见热斑）。研究团队探测到来自这些耀斑的一次不稳定爆发，从而得以探测环绕黑洞的吸积盘。吸积盘是在黑洞或中子星周围，气体和尘埃受到引力作用向中心天体落下而形成的盘状结构。通过对耀斑爆发的研究，科学家描绘出了人马座A*的行为。

布罗德里克的黑洞理论建立在较早前两个团队对银河系中心近红外研究的基础上。这两个团队分别是来自德国马克斯普朗克地外物理研究所的天文学家莱茵哈德·根泽尔（Reinhard Genzel），以及加州大学洛杉矶分校的研究者安德里亚·盖兹（Andrea Ghez）和马克·莫里斯（Mark Morris），他们的工作揭示了银河系中心并不稳定，而是在一天中会有一段时间极其明亮，持续大约30或40分钟。

天文学家认为，大多数（如果不是所有）大型星系的中心都存在超大质量黑洞。因此，2005年，布罗德里克在哈佛史密松天体物理中心与天文学家艾维·利伯（Avi Loeb）一起工作时，提出在银河系中心所观测到的周期性增亮现象——又被称为明亮红外耀斑——源于一个超级巨大的物体，比如黑洞。

这一理论进一步得到了新证据的支持。天文学家发现一个非常明亮、密集的恒星群（称为“核星团”）环绕银河系中心区域运转。此外，红外线观测显示，位于银河系中心的恒星围绕着一个质量约为太阳400万倍的物体运转，再一次表明一个大型黑洞的存在。不过，布罗德里克表示，在此次新研究之前，所有观测数据都不足以证明银河系中心确实存在黑洞。

突发的耀斑行为

布罗德里克说，近日探测到的来自银河系中心的3个耀斑是黑洞引力透镜的产物。“黑洞的作用就如同灯塔的镜片。那里存在一个局部的喷射区域，但并不是喷射区域本身的突然增亮引发了耀斑，”他说道。相反地，是黑洞的引力使喷射产生的光线弯曲，并将其放大，使我们能观测到。布罗德里克解释道：“这才是耀斑产生的原因，即极端引力的放大作用。”

根据这一结果，布罗德里克和利伯最初预测，在围绕人马座A*的吸积盘中，物体会表现出特定的红外线喷射晃动，因为它们在环绕黑洞的轨道上运转。他们在2005年的一篇论文中阐述了这一理论，并在2006年的后续论文中做了补充。然而，当时的技术还无法探测到这样的摆动。

2016年，欧洲南方天文台甚大望远镜（VLT）的高精度光干涉仪GRAVITY投入使用，改变了这一切。GRAVITY的精确度和灵敏度帮助天文学家探测到人马座A*的吸积盘中3个耀斑喷射中的晃动。欧洲南方天文台研究团队的新发现发表在10月18日的《天文学与天体物理学》（Astronomy & Astrophysics）期刊上。

布罗德里克说：“虽然耀斑的发现已经有很长时间，但这里的关键性发现是这些耀斑的特征性晃动。”这一晃动表明，产生这些耀斑的物质正在环绕一个黑洞运转。

人马座A*附近的耀斑发生在靠近黑洞的磁场线断裂并重连的过程中。这一过程称为“磁重联”（magnetic reconnection），能释放出大量能量和带电粒子，导致极端明亮的事件。从这些耀斑中释放的红外辐射由于其环绕黑洞的轨道运动而表现出特征性的晃动。具体而言，当其他喷射物融入围绕银河系中心的吸积流时，红外辐射的中心就会发生移动，或者说“晃动”。

在黑洞的事件视界以外，气体和尘埃等物质以大约三分之一光速的速度在一个圆形轨道上运行。耀斑的轨道期——它完成一圈轨道运行的时间——与晃动出现的时间间隔相同，天文学家每40到50分钟就观测到一次这样的晃动。布罗德里克表示，这么短的时间尺度是黑洞引力作用的结果，表明这些绕行的物质非常接近黑洞。

“13年前，我们的观点是这些耀斑与（星系中心的）结构可变性有关，并且我们将能够利用这一结构可变性来说明广义相对论和强引力作用，”布罗德里克说，“令人兴奋的是，这一观点似乎是对的。”

证明黑洞的存在

耀斑产生的喷射晃动并不是唯一预示着一个超大质量黑洞存在于银河系中心的证据。银河系中心无疑具有一个质量达到太阳400万倍的物体，但证明它是黑洞的过程充满挑战。

银河系中心还存在一个核星团，其中具有超过50万颗恒星。根据爱因斯坦的广义相对论，天文学家通过测量环绕运行的恒星和气体的质量，估计出了银河系中心隐藏天体的质量。布罗德里克表示，这进一步支持了400万倍太阳质量物体是超大质量黑洞的观点。

“就我们所知，没有其他物体能够在如此紧凑的结构内维持这样的质量而不坍塌，”布罗德里克说，“如果不是一个黑洞，那它就必须是某种极为奇特、超出我们目前认知边界的东西。”

此外，观测数据显示，有许多物质确实是在我们的银河系中心消失了。这些物质被拖入星系中心，最终被困在黑洞周围不断增长的吸积盘中。尽管吸积盘轨道中的大部分物质在人马座A*周围都很安全，但太过靠近的物质会不断被吸入并穿过黑洞的事件视界。事件视界是黑洞最外层的边界，也是一条时空边界。当物质经过事件视界落入黑洞后，就再也无法逃离。布罗德里克说，研究人员可以看到物质在经过事件视界时由于摩擦而变得异常明亮。

“这就变成某种‘它去哪里了？’的争论，”布罗德里克说，“我们知道这些物质正在落入黑洞，因为我们看到它的亮度增加，但没看到相应的撞击发光。因此，它肯定消失在某些地方了。”

因此，事件视界及其背后黑洞的存在，便成了银河系中心奇特行为最合理的解释。“从个人角度来说，看到一项预测最终被证实真的太让人兴奋了，”布罗德里克说，“我认为这标志着科学史上非常重要的一刻，黑洞从某种奇闻异事便成了具有真实基础的东西。”

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