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黑洞是怎么观测到的?其实你看到的只是“吸积盘”

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cnbby 发表于 2018-8-14 11:36:57 | 显示全部楼层 |阅读模式
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  活动星系核的统一模型认为,所有活动星系核都具有相同的基本组成(吸积盘、喷流、遮蔽环);我们观察到的种种巨大差异,都是这些部分在太空中的视线方向不同造成的。

  北京时间8月14日消息,据国外媒体报道,天文学术语有时候在字面上会造成误解。我们喜欢根据对各种天体的第一印象来命名,比如,如果它又红又大,那就是“红巨星”(Red Giant);如果是又白又小,那就是“白矮星”(White Dwarf);规模庞大的爆炸就叫“大爆炸”(Big Bang);黑得看不见,又能吞噬各种东西的,那就叫“黑洞”(Black Hole)。大多数情况下,这种命名方式很好用——无论命名的对象是新事物,还是我们已经知道的东西。但有时候,比如冥王星的例子,我们会获得新的观测结果,迫使我们质疑它的分类,在重新评估之后以另一种方式认识它。你或许认为这种情况永远不会发生在像黑洞这么定义明确的事物上,但你错了。
  尽管无法直接观察黑洞,但我们能观察到两类黑洞——恒星黑洞和超大质量黑洞——如何影响周围的天体。恒星黑洞是大质量恒星死亡时经历超新星爆发并塌缩而形成的,在宇宙中更为普遍,早在近一个世纪前就由爱因斯坦的广义相对论所预言;它们通常只能影响距离最近的一两颗恒星。相比之下,超大质量黑洞的质量是恒星黑洞的百万倍以上。我们目前仍不清楚超大质量黑洞如何形成,但天文学家认为它们存在于几乎每个星系的中心,有时甚至能够改变整个星系的外观。
  这种质量扭曲的能力使描述超大质量黑洞的特征变得十分棘手。随着星系中心的恒星、气体和尘埃越来越接近超大质量黑洞,它们越来越紧密地进入越来越小的空间,逐渐升温,直到在一个临界距离时,一切都被撕裂,还原成原子等粒子。当我们发现超大质量黑洞时,实际看到的是围绕黑洞并散发热量的碎片——称为“吸积盘”——而不是黑洞本身。
  一些超大质量黑洞会比其他黑洞“吞噬”更多物质,并且在这一过程中发出更多的光。这些活动星系核(active galactic nuclei,缩写为AGN)是宇宙中最明亮、能量最高的天体之一。它们不仅发散热量,而且经常以垂直于吸积盘平面的高速喷流形式抛射出物质,规模之大,使吸积盘甚至星系本身都相形见绌。此外,一些活动星系核还具有充满尘埃的遮蔽环,形状上很像甜甜圈,并且与吸积盘处于同一个平面,只是范围更大、更厚。事实上,活动星系核厚度之大,如果你从侧面看它们,会根本看不到吸积盘,更不用说吸积盘中心的黑洞了。
  因此,我们可以将这种活动星系核的标准模型描述为:一个超大质量黑洞被一个吸积盘包围,高速喷流以相反方向沿吸积盘法线喷出,这一切都包围在一个尘埃遮蔽环之内。虽然有这样的标准模型,但实际观测结果的解释依然是一个挑战:我们看到的光并不总是呈现同样的画面。有时候我们会看到喷流,有时候看不到。有时候能看到尘埃遮蔽环,有时候看不到。有时候我们看到的光线如此集中和明亮,甚至无法分辨那里是否存在一个星系。我们对这些观察依次进行了记录:一些距离遥远的活动星系核的核心如此明亮,其可见光甚至超过了它们内部的恒星,这些活动星系核被称为类星体(quasar);具有很强红外辐射的活动星系核称为赛弗特星系(Seyfert galaxies),以1943年首次识别它们的美国天文学家卡尔·赛弗特(Carl Seyfert)命名;还有一些活动星系核的核心和喷流所发射的辐射,在无线电频谱中占主导地位,它们被称为射电星系(radio galaxies)。
  如果这些活动星系核的能量都来自超大质量黑洞,那为什么它们看起来如此不同?一个原因可能是我们的视角。活动星系核的统一模型认为,所有活动星系核都具有相同的基本组成(吸积盘、喷流、遮蔽环);我们观察到的种种巨大差异,都是这些部分在太空中的视线方向不同造成的。
  在地球上,我们只有一个观察宇宙的有利位置。我们看到的是随机分布在我们周围的星系,其中一些以边缘朝向我们,另一些则以盘面朝向我们,其余星系的朝向角度则处于二者之间。我们没办法飞到这些星系周围,以朝向以外的角度来观察它们。不过,随着超级计算机的出现,我们现在可以比以往更好地模拟这些星系,随心所欲地“飞向”它们,从任意角度进行观察。我们可以将活动星系核翻过来,透过喷流观察其核心,使其类似耀变体(blazar)——喷流在大概方向上朝向地球的活动星系核。接着,逐渐使活动星系核倾斜,使其喷流旋转90度远离我们,它就会从耀变体变成类星体,最终变成赛弗特星系。
  当然,活动星系核的统一模型在天体物理学上还远不是定论。在我们的视角之外,还可能有其他因素在起作用,比如黑洞内部和周围的物理过程,我们对此既没有完全理解,也尚未想到如何加以测量。随着更先进的望远镜投入使用,以及新数据的不断积累,我们或许能看到这些活动星系核的真实情况。否则,我们可能就需要继续思考该怎么命名了。(任天)

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