文|天樞

在黑洞邊緣掙扎的雙恒星

文|天樞

等待宇宙焰火的到來

在科幻小說中，我們常會(huì)閱讀到一個(gè)宇航員墜入黑洞，在黑洞里他將會(huì)被拉長，痛苦至極，最后墜入萬劫不復(fù)的黑洞。然而，這并不僅僅會(huì)出現(xiàn)在小說里。在現(xiàn)實(shí)中，如果宇宙中的一塊氣體云也墜入了黑洞，那么它同樣將經(jīng)歷小說中墜入黑洞的宇航員所經(jīng)歷的一切。2012年天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一塊疑似氣體云的物質(zhì)，正在銀河系中心的黑洞邊緣徘徊?；蛟S這一回，天文家們可以看到墜入黑洞的真實(shí)過程了。

在每一個(gè)星系的中心，都可能會(huì)存在一顆黑洞，它主管著這一星系所有的恒星、星團(tuán)，讓它們?nèi)及凑兆约旱囊庵具\(yùn)動(dòng)。在銀河系的中心，也存在著這樣一顆巨大的黑洞。從地球上望去，這顆黑洞恰巧處在人馬座方向，所以也就有了人馬座A★這么一個(gè)奇怪的名字。這顆黑洞的質(zhì)量相當(dāng)于太陽質(zhì)量的400萬倍，它發(fā)出強(qiáng)大的引力，任何經(jīng)過它身邊的天體都會(huì)被它吞噬。天體被吞噬，這在黑洞周圍常常發(fā)生，但是我們從來沒有機(jī)會(huì)觀測到整個(gè)過程。

2012年，天文家們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)即將被人馬座A★吞噬的目標(biāo)——G2，正在黑洞的周圍徘徊。G2究竟是什么呢？天文學(xué)家也說不清楚，但更可能是塊氣體云。此前，天文學(xué)家已經(jīng)觀測到這塊氣體云正在被加速撕裂，2013年左右，它被黑洞吞噬。被吞噬的過程會(huì)釋放出強(qiáng)烈的X射線或者伽馬射線，爆發(fā)非常劇烈。于是，天文學(xué)家們等待著一次宇宙的焰火，準(zhǔn)備觀看G2被黑洞吞噬的那一刻。

即將被人馬座A*吞噬的目標(biāo)——G2

合并悄悄開始

時(shí)間一天天過去，在這一年多的時(shí)間里，很多大型望遠(yuǎn)鏡都對(duì)準(zhǔn)了G2，希望能看到它被吞噬的過程。但讓所有人都沒有想到的是，這場“吞噬”與“被吞噬”的好戲始終沒能上演，那個(gè)G2還好端端地待在那里，這到底是怎么回事？

于是，天文學(xué)家不得不開始反思。一個(gè)天文研究小組提出了一種新的解釋，他們認(rèn)為，這個(gè)所謂的G2氣體云并不是氣體云，而是恒星，只不過在它接近黑洞的時(shí)候，被拉長了而已，讓我們看起來像是氣體云，而且，G2最初是2顆恒星。

這一解釋立刻受到了很多天文學(xué)家的認(rèn)可。經(jīng)過多方面的觀測，證實(shí)這樣的解釋是對(duì)的。在銀河系的中心地帶，恒星繁多，而且質(zhì)量都很巨大，因?yàn)樾『阈且朐谶@里生存是很困難的，會(huì)很容易被黑洞吞噬掉。另外，這里的恒星還有另一個(gè)特點(diǎn)，就是雙星很多，這也導(dǎo)致雙星合并的事件常常發(fā)生。

G2原來是2顆恒星，這2顆恒星在靠近黑洞的時(shí)候，悄悄地結(jié)合在一起，但這并不是它們自愿的，而是黑洞的強(qiáng)大引力所導(dǎo)致。就像一對(duì)苦命的伴侶，在接近黑洞的時(shí)候，危險(xiǎn)讓它們更加相愛，并融合成一顆更加巨大的恒星，來一起抵御黑洞的引力，避免被吞噬的命運(yùn)。

它們?nèi)诤铣傻男潞阈鞘且活w不同尋常的恒星。研究人員認(rèn)為，這顆恒星的質(zhì)量是太陽的2倍，雖然質(zhì)量不大，但是體積卻巨大，大概是太陽體積的100倍。這告訴我們，它的密度很小，跟氣體差不多。這顆恒星還處在膨脹階段，這個(gè)過程大概需要100萬年，然后才能恢復(fù)到正常狀態(tài)，變成一顆真正的恒星。

這是一對(duì)苦命的恒星，不知道它們從哪里來，要到哪里去，在經(jīng)過黑洞附近的時(shí)候，黑洞沒能吞噬它們，卻讓它們相互結(jié)合，最后組成一顆新的恒星。目前，它們還沒有擺脫被黑洞吞噬的厄運(yùn)。

黑洞謎團(tuán)

黑洞具有強(qiáng)大引力，宇宙中的恒星、氣體和塵埃在經(jīng)過星系中心時(shí)，將沿著螺旋狀的軌道沉入其中，形成吸積盤。物質(zhì)在“塌縮”過程中將變得越來越熱，當(dāng)最終抵達(dá)黑洞的事件視界時(shí)，其42%的質(zhì)量已被轉(zhuǎn)化為能量。事件視界即事象地平面，是一種時(shí)空的曲隔界線，在事件視界以外的觀察者無法利用任何物理方法獲得事件視界以內(nèi)的任何事件的信息，甚至連光都無法逃脫。

黑洞釋放能量的形式有熱能和光，但更加普遍的形式是由超高速粒子組成的噴流。噴流與吸積盤呈垂直狀態(tài)，并會(huì)同時(shí)向正反兩個(gè)方向噴射，距離可達(dá)數(shù)千甚至數(shù)百萬秒差距之遠(yuǎn)（1秒差距等于3.26光年）。若噴流正對(duì)著地球，那么黑洞看上去就像一個(gè)類星體；若噴流方向在地球側(cè)方，那么黑洞看上去則像是一片具有一顆活躍星系核的星系；若黑洞周圍沒有足夠物質(zhì)可供吸收，那么黑洞將會(huì)是“隱形”的。

黑洞究竟如何產(chǎn)生并釋放出如此龐大的能量呢？一些巡天觀測指出，從黑洞噴射出的噴流的能量是其初始能量的3倍。若果真如此的話，這將完全違背能量守恒定律。

磁場影響

為了解開噴流生成之謎，美國加州斯坦福大學(xué)物理學(xué)家R o g e r Blandford設(shè)計(jì)出了一個(gè)黑洞模型。它的自轉(zhuǎn)速度極快并伴有強(qiáng)力磁場，磁力線能向外延伸到極遠(yuǎn)的距離，像鋼絲一般纏繞在吸積盤上，拖拽著吸積盤上的太空氣體沿著漩渦一起轉(zhuǎn)動(dòng)。盡管人類無法直接觀測到具備如此特性的黑洞，但在理論上卻是存在的。模擬結(jié)果顯示：在適當(dāng)條件下，磁力場能夠?qū)⒑诙醋赞D(zhuǎn)能量轉(zhuǎn)化到吸積盤上，從而為噴流提供能量。

2012年，美國宇航局（NASA）發(fā)射的核光譜望遠(yuǎn)鏡陣列（NuSTAR）是第一臺(tái)專門用于黑洞研究的太空望遠(yuǎn)鏡。近期，NuSTAR首次對(duì)一個(gè)超大質(zhì)量黑洞進(jìn)行了精確測量，結(jié)果顯示，這個(gè)超大質(zhì)量黑洞正以非?？斓乃俣茸赞D(zhuǎn)。在高自轉(zhuǎn)速度下，被吸入物質(zhì)與事件視界間的距離將會(huì)縮短，逃離黑洞的X射線受強(qiáng)重力影響將產(chǎn)生紅移現(xiàn)象，即波長變長，頻率降低。

人馬座A*

盡管天文學(xué)家早就發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象，但他們?cè)谀菚r(shí)無法排除這也可能是氣體云遮蓋吸積盤的結(jié)果。而NuSTAR對(duì)X射線的敏感度是原先天文望遠(yuǎn)鏡的10倍，能夠穿透任何氣體云。帕薩迪納市加州理工學(xué)院天文學(xué)家、NuSTAR首席科學(xué)家Fiona Harrison在發(fā)表的一份報(bào)告中提到：NuSTAR從距離地球相對(duì)較近的螺旋星云NGC 1365內(nèi)清晰捕捉到X射線的紅移現(xiàn)象。

Harrison解釋道，黑洞的自轉(zhuǎn)速度如同化石痕跡一般，天文學(xué)家能夠據(jù)此研究它的形成過程。小質(zhì)量黑洞可經(jīng)由一顆恒星的塌陷而形成，而超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量太大，根本無法依靠單獨(dú)的恒星形成。若超大質(zhì)量黑洞是由許多小質(zhì)量黑洞融合而成，則每一次融合都將促使黑洞朝任意方向自轉(zhuǎn)。經(jīng)過數(shù)百萬甚至數(shù)十億年的融合后，發(fā)育完全的黑洞的自轉(zhuǎn)速度將趨近于0。若超大質(zhì)量黑洞是由數(shù)個(gè)中等質(zhì)量黑洞組成，其形成過程將會(huì)加快，且各個(gè)組成部分之間不必非要“決斗”出最后的勝者，因此最終黑洞的自轉(zhuǎn)速度將非?？?。