黑洞是怎么吃东西的?最近的黑洞在哪儿?

说到黑洞,大家一般都会想到带吸积盘的造型。吸积盘就像是黑洞的餐盘,有它在就说明黑洞就餐还没结束。由于吸积盘会向外发出大量辐射,所以目前观测到的黑洞,几乎都是这种正在进食中的黑洞。

然而总有一些黑洞,可能是食物匮乏,也可能是已经酒足饭饱,总之它们已经停止了进食,处于一种暂时休眠的状态。由于没有了吸积盘,这些黑洞很难暴露自己,它们会像幽灵一样潜伏在宇宙中,时刻等待着下一只猎物送上门来。

黑洞,虽然听起来很厉害的样子,但它们通常也是从小不点儿一点点变大的。变大的途径主要有两种:一种是直接和其他黑洞合体,另一种是通过吸积盘一点点把自己喂大

吸积盘不是黑洞独有的,像中子星、白矮星很多天体都可以有自己的吸积盘。就是说这种致密天体吃东西,往往先是凭借自己强大的潮汐力把靠近的猎物给撕碎,完了再把那些碎块摆在自己的周围慢慢享用,这种现象被称为“潮汐破坏事件(TDE)”

当然也有些不太一样的,比如当猎物的运动轨道比较扁的时候,黑洞会等它每次靠近的时候咬上一口,然后再来就再咬一口。

比如这个位于 5 亿光年外的 Swift J0230,它里面的这个 20 万倍太阳质量的黑洞,平均每个月都要啃一口旁边的伴星,每一口差不多相当于三个地球。

这个过程有点类似食肉动物的捕食过程。不过谁是猎手谁是猎物,在这里不看体型也不看力量。不是说谁的质量大引力大谁就厉害,对天体来说成为猎手的关进因素是密度自身强度。这也是为什么质量更小的白矮星或中子星,却能够蚕食质量比自己大得多的伴星。

从“蚕食”这个词可以看出,吸积盘的这种进食方式通常比较缓慢。假如只考虑引力的话,吸积盘中的物质(主要是气体)甚至都不会掉入黑洞。因为这些物质围绕黑洞旋转就类似行星围绕恒星公转,公转产生的惯性离心力会抗衡引力向心力

除了离心力以外,在靠近视界面的一侧,吸积盘产生的磁场也会为这种对抗提供帮助。因为随着向中心旋近,吸积盘中的物质不断被压缩,随之产生的磁场也在不断变强。本来离心力都快扛不住了,这时候电磁力又来助了一臂之力,此时这里的物质就像磁悬浮里的量子锁定一样被囚禁在了这片区域,这被称为“磁囚禁盘(MAD)”

顺带说下:磁囚禁盘的理论虽然成熟,但一直缺乏实际观测证据。然而就在前不久,中国科研团队联合国外团队利用中国的“慧眼”X 射线天文卫星以及地面望远镜观测数据,首次发现了黑洞周围磁囚禁盘形成过程的直接证据,相关结果已经发表在了《科学》杂志。

那为何吸积盘中的物质最终还是会落入黑洞呢?

其实还是和行星公转一样:行星越靠近恒星轨道周期约短,转得越快;离恒星越远轨道越长,转得越慢,吸积盘中的气体也是一样。不同的是:行星非常稀疏,相互之间除了点引力拉扯外没什么交集;但是吸积盘不一样,这里的气体非常稠密,内外圈的转速不一致会使得气体粒子之间产生剧烈的摩擦和碰撞,这被称为“粘滞作用”

气体粒子通过摩擦耗散了自身的能量,于是转速慢了下来。转速慢了,离心力小了,此时引力再次占了上风,于是粒子就被黑洞慢慢吸了过去。那些因为摩擦耗散掉的能量大多变成了热能,最终以热辐射的形式释放了出来。

所以整个吸积过程从宏观上来说,就是气体物质的引力势能转换成了热能并向外辐射的过程。这也是目前黑洞能被我们发现的主要原因。

不过黑洞的捕猎过程也不都是这么慢条斯理,面对一些致密的“小家伙”时,它的捕猎过程也能像猛虎捕食般转瞬即逝。

比如之前科学家曾用计算机模拟过中子星被黑洞撕裂的情形,整个过程可以说快如闪电。只需几毫秒,中子星就瞬间被黑洞撕碎,其中 80% 的物质立马被吞噬,剩余少量物质成为黑洞的吸积盘后也被迅速吸干榨净,整个过程也就 1~2 秒的时间。

不仅干饭猛,有的黑洞饭量还特别大。比如韦伯望远镜就拍到过一个 115 亿年前的“远古巨兽”—— 类星体(SDSS J165202.64+172852.3)。

我们知道,类星体是一种星系形成之初的活跃星系核(AGN),它的中心是一只正在疯狂进食中的超大质量黑洞。恒星级黑洞的猎物通常都是恒星、白矮星、中子星这种伴星,但这个类星体的猎物竟然是三个幼年的星系!可以预见,将来这三个星系很可能都要葬身于该饕餮巨兽之口,剩下的只是时间问题。

一个劲往嘴里塞东西势必会消化不良,黑洞时不时也会有呕吐、打嗝之类的症状出现。

由于旋转吸积盘磁感线的扭曲,当积攒到一定程度后,一些还没来及被黑洞吞掉的物质会沿着黑洞自转轴向两极喷射而出,长度可达几万甚至几十万光年。这种喷流的速度之快可以达到光速的几分之一,以至于会出现明显的相对论效应,所以它也被称为“相对论性喷流”

除了边吃边吐,黑洞时不时还会打个饱嗝。比如天文学家曾在 2018 年观测到一起潮汐破坏事件(AT2018hyz),但它的喷流信号两年后才被观测到。为什么两年前吃的饭今天才打饱嗝?科学家猜测:可能是吸积盘内部状态的变化,也可能和周围环境的相互作用有关,总之其中的缘由目前仍不太清楚。

由此可见,只要吸积盘还在,说明黑洞的进食过程还没彻底结束。只有当吸积盘几乎看不到了,才说明吃地差不多了,可以休息了,这种黑洞被称为“休眠黑洞”

由于没有了吸积盘发出辐射,休眠黑洞就像一只藏身于草丛中的猛兽,很难被人发现。上次天文学家发现休眠黑洞,还是在 5000 光年外的大麦哲伦星系。当时通过对一颗恒星的分析发现,它奇怪的轨道预示着那里应该存在一颗看不见的大质量伴星。排除了种种可能性后人们断定,这颗隐身了的伴星应该是个 9 倍太阳质量的恒星级黑洞。

然而 2022 年,通过盖亚望远镜,这次天文学家在银河系内发现了一个休眠黑洞 —— 盖亚 BH1,距离地球仅有 1560 光年,这也是目前已确认的距离我们最近的黑洞。

盖亚 BH1 是一个将近 10 倍太阳质量的恒星级黑洞,它和另一颗类太阳的伴星位于一个双星系统中。和其他双星系统不太一样的是,这个双星系统的轨道非常宽,伴星与黑洞的距离非常远。但是即使这样,以这个黑洞的体量来说,它前身恒星在演化末期的最大半径甚至比伴星当前的轨道还要大得多。也就是说,这颗伴星曾经可能被另一颗超大的恒星包裹着。如果真是这样的话,它是怎么存活下来的呢?以它一个太阳质量的娇小身躯,根本不可能从一个几十倍太阳质量的红超巨星中全身而退才对。

原本以为这只是个个例,然而不久后人们在 3800 光年外又发现了第二个类似的黑洞 —— 盖亚 BH2。BH2 所在的也是一个双星系统,其中黑洞的大小也很接近,将近 9 倍太阳质量,只是伴星是一颗质量和太阳相当、已经接近暮年的红巨星

BH1 和 BH2 的发现,不仅说明了目前的双星演化模型需要进一步完善,除此之外也让我们意识到,这种潜伏在宇宙中的休眠黑洞可能仅仅是难以发现,实际上在广袤的星际空间它们并不罕见。

等一下

之前先是在银河系外发现,现在又在银河系内发现,将来会不会有一天我们突然发现一个休眠黑洞(或者是很小的原初黑洞)就在我们太阳系中呢?

近些年来越来越多天文学家意识到,像塞德娜这种柯伊伯带的海王星外天体,它们的轨道出奇的扁,这意味着除了海王星的引力外,它们可能还受到了某种未知的引力影响。根据理论计算,未知引力源可能是一个至少两倍地球质量的天体,人们称其为“第九行星”或者“X 行星”

鉴于这个未知天体谁也没见过,于是一些科学家猜测:它也许会是一个非常非常小的原初黑洞。如果真是这样的话,太阳系未来的命运或许又多了一种可能性。

参考资料

  • [1] https://www.science.org/doi/10.1126/science.abo4504

  • [2] https://www.nature.com/articles/s41550-023-02073-y

  • [3] https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Webb/Webb_uncovers_dense_cosmic_knot_in_the_early_Universe

  • [4] https://en.wikipedia.org/wiki/Astrophysical_jet#Relativistic_jet

  • [5] https://mp.weixin.qq.com/s/bguqJfW_3vZFTK5fU46AYA

  • [6] https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Gaia/Gaia_discovers_a_new_family_of_black_holes

  • [7] https://en.wikipedia.org/wiki/Gaia_BH1

  • [8] https://academic.oup.com/mnras/article-abstract/518/1/1057/6794289

  • [9] https://academic.oup.com/mnras/article/521/3/4323/7093135

  • [10] https://noirlab.edu/public/news/noirlab2227/ 

本文来自微信公众号:Linvo 说宇宙 (ID:linvo001),作者:Linvo

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