科學(xué)界對于黑洞行為一直有一個爭論：光子從黑洞的冕傳播到吸積盤所需要的時間縮短，究竟是由于冕的收縮，還是吸積盤的內(nèi)半徑變小？

近日，一個由美國科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的國際研究團隊在英國《自然》雜志上發(fā)表了一篇關(guān)于黑洞行為最新觀測結(jié)果的文章。研究者采用放置在空間站上的中子星內(nèi)部組成探測器（NICER），觀測了MAXI J1820+070黑洞吸積伴星暫現(xiàn)源。

這次觀測對上述爭論給出了一個合理的解釋。這讓科學(xué)界很興奮，這篇論文也因此成為《自然》雜志封面文章。

能夠作出這一發(fā)現(xiàn)，科學(xué)家依靠的是高精度的觀測設(shè)備。或許有一天，我們也可以用高精度“照相機”給黑洞拍個“抖音”。

1.拍攝黑洞的“快手”

黑洞在吸積過程中會產(chǎn)生兩個X射線信號，先有一個來自黑洞冕的硬X射線信號（即高頻信號），第一個信號傳播到吸積盤后會產(chǎn)生另一個軟X射線信號（即低頻信號）。光子從冕傳播到吸積盤需要時間，所以有時間延遲。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)天文學(xué)系特任副研究員蔣凝表示，前述最新成果發(fā)現(xiàn)，MAXI J1820+070在X射線耀發(fā)后的時間延遲僅為之前的1/6～1/20，由于黑洞的外部結(jié)構(gòu)中只有冕和吸積盤兩個單元，因此對這種時延縮短有兩種可能的解釋。

一種解釋認為，是吸積盤的內(nèi)半徑變小了，也就是被截斷了;另一種解釋則是冕收縮到離吸積盤更近。科學(xué)家推測，如果前一種解釋是正確的，由于引力紅移效應(yīng)，會導(dǎo)致能譜上Fe K線的輪廓發(fā)生變化。借助本次觀測中同時擁有高時間精度和高能譜分辨率的“利器”NICER，研究人員發(fā)現(xiàn)Fe K線的輪廓基本保持不變，因此剩下的就是后一種解釋了，即導(dǎo)致時延縮短的原因是冕的收縮。

能夠獲得如此精確的觀測結(jié)果并推導(dǎo)出這一重要的科學(xué)結(jié)論，依靠的是兩個安裝在國際空間站上的“勞?！薄靀射線監(jiān)測相機（MAXI）和中子星內(nèi)部組成探測器（NICER）。2018年3月11日，MAXI發(fā)現(xiàn)在獅子座方向距離我們大約1萬光年的位置有一個X射線耀發(fā)，NICER隨即開始監(jiān)測這個事件。

蔣凝介紹道，與此前的類似設(shè)備，如X射線多鏡片任務(wù)衛(wèi)星XMM-Newton相比，NICER最大的優(yōu)勢就是時間分辨率極高，達到100納秒，比之前NASA最好的計時設(shè)備羅西X射線計時探測器要快25倍。

“X射線衛(wèi)星盡量要做到一個一個地記錄光子，因此需要很高的時間分辨率，否則在同一個計時區(qū)間內(nèi)有幾個光子到達，我們就無法知道每個光子的能量。MAXI J1820+070每秒差不多有25000個能量0.2～12千電子伏的光子到達NICER，正因為有超快的計時，才能區(qū)分開一個個光子。相比之下，XMM-Newton在每秒接收600～800個光子的時候就有光子‘堆積效應(yīng)。不僅如此，NICER在軟X射線波段的有效能譜面積也是最高的，是XMM-Newton衛(wèi)星的兩倍?！?/p>

正是得利于這樣優(yōu)越的天賦，NICER才能用來幫助科學(xué)家捕捉黑洞邊緣的一些微弱信息。

2.逃離黑洞的信息

黑洞是廣義相對論預(yù)言的一類非常獨特的時空結(jié)構(gòu)。它在我們觀測的宇宙中主要有兩類存在形式，一種是100倍太陽質(zhì)量以下的恒星級黑洞，它們是大質(zhì)量恒星演化到晚期死亡的產(chǎn)物。

另一類是100萬倍太陽質(zhì)量以上的超大質(zhì)量黑洞，它們位于星系的中心。蔣凝表示，超大質(zhì)量黑洞的物理起源并不明確，最早是20世紀60年代為了解釋類星體巨大的能量輸出而被提出的，后來被近鄰宇宙的恒星或者氣體動力學(xué)研究所證實。

“此外，還有一些極亮X射線源可能是100倍至幾十萬倍太陽質(zhì)量的中等質(zhì)量黑洞?！敝锌圃簢姨煳呐_研究員、中國科學(xué)院大學(xué)教授、國家天文臺恒星級黑洞研究創(chuàng)新小組負責(zé)人、基普·索恩天文學(xué)通識著作《星際穿越》譯者之一茍利軍表示。

超大質(zhì)量黑洞的形成和增長是目前的一個熱點問題。當這些超大質(zhì)量黑洞劇烈吸積物質(zhì)的時候，會將物質(zhì)的引力勢能轉(zhuǎn)化為輻射釋放出來，表現(xiàn)為活動星系核（簡稱AGN）。

有意思的是，世紀之交，人們發(fā)現(xiàn)超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量與它們所寄居的星系的性質(zhì)緊密相關(guān)，強烈暗示它們是共同成長與演化的。

有人可能會問，黑洞不是光都無法逃逸的嗎？為什么我們還可以觀察到一些黑洞的信息？

實際上，黑洞的結(jié)構(gòu)包括視界面以內(nèi)的自身部分，以及冕和吸積盤等外部結(jié)構(gòu)。“如果光進入視界面，確實就無法逃脫黑洞的魔爪。”蔣凝說道，“但是在物質(zhì)還沒進入到視界面之前，我們?nèi)匀豢梢钥吹奖缓诙次e的物質(zhì)落向黑洞的過程中的輻射。由于具有角動量，物質(zhì)并不會徑直掉到黑洞里，而是沿螺旋線轉(zhuǎn)著飛進去，這樣就形成了一個吸積盤。”

不同的情況下，吸積盤的形式有區(qū)別。蔣凝介紹：“類星體的吸積被認為是標準薄盤。而我們銀河系中心的黑洞的吸積率比較低，大家猜測它是一個徑移主導(dǎo)吸積盤。”

黑洞的吸積過程能產(chǎn)生多波段的光子，甚至可以說幾乎能釋放全波段的輻射，從X射線、紫外、光學(xué)、紅外到射電都有。

“其中X射線光子根據(jù)能量高低分成硬X射線和軟X射線，它們在黑洞吸積的物理過程中主要產(chǎn)生的區(qū)域和機制是不同的。軟X射線一般認為來自吸積盤的熱輻射，而硬X射線來自吸積盤的軟光子打到盤上面的冕，經(jīng)過逆康普頓散射到更高能量產(chǎn)生的?！笔Y凝說。

3.黑洞捕手

那么，有哪些觀測手段可以用來探尋上面的黑洞線索呢？

由于黑洞吸積過程產(chǎn)生的輻射是多波段的，因此對它的研究也是多種多樣的。

筆者從蔣凝處了解到，雖然恒星級黑洞最早是通過X射線發(fā)現(xiàn)的，但是作為類星體中心引擎的超大質(zhì)量黑洞其實最早是在射電波段發(fā)現(xiàn)的，因此射電天文望遠鏡也是研究黑洞的常用手段，比如黑洞視界面望遠鏡。

除此之外，我們最熟悉的地面光學(xué)望遠鏡等更是可以對黑洞進行常規(guī)的發(fā)現(xiàn)和研究，比如美國的斯隆數(shù)字巡天項目（SDSS）就發(fā)現(xiàn)了成千上萬的類星體。

說到黑洞觀測，就不得不談視界面望遠鏡EHT，這是一個由12個國家30多所大學(xué)和天文臺站參與的國際聯(lián)合項目，通過以甚長基線干涉技術(shù)VLBI聯(lián)合全球的8臺射電望遠鏡形成一口徑等效于地球直徑的虛擬望遠鏡，進行超高空間分辨率的射電成像來探測銀河系中心的黑洞視界面。

視界面望遠鏡的觀測目標為超大質(zhì)量黑洞人馬座A*和M87星系中央的超大質(zhì)量黑洞。2017年4月，視界面望遠鏡首次連線觀測人馬座A*。

視界面望遠鏡計劃的提出使得人類第一次有機會直接給黑洞拍一張能分辨的照片。黑洞是否真實存在？視界面、吸積盤和冕上的細節(jié)是怎樣的？諸如此類的問題終于有了正面回答的機會。

近年來，隨著自主天文儀器的巨大進步，我國在黑洞觀測領(lǐng)域也逐漸步入國際舞臺。蔣凝談到，我國早期黑洞研究偏向于理論方面，比如吸積盤理論等。現(xiàn)在，一些前沿設(shè)備正在積極參與黑洞觀測。比如2017年上天的硬X射線調(diào)制望遠鏡（HXMT，又稱慧眼衛(wèi)星），就用來捕捉類似MAXI J1820+070這樣的X射線耀發(fā)事件。

慧眼衛(wèi)星，是中國第一顆大型空間X射線探測天文衛(wèi)星。它既可以實現(xiàn)寬譜段、高靈敏度、高分辨率宇宙X射線巡天、定點和小天區(qū)觀測的空間X射線天文觀測，同時也具有高靈敏度的伽馬射線暴全天監(jiān)視儀。其命名涵義之一是為了紀念推動中國高能天體物理發(fā)展的已故科學(xué)家何澤慧。

2017年6月15日，HXMT衛(wèi)星發(fā)射成功，開展科學(xué)觀測。2018年1月30日，中國首顆X射線天文衛(wèi)星“慧眼”正式交付，投入使用。在軌一年多來，“慧眼”已經(jīng)探測到伽馬暴、兩個太陽大小的中子星合并引起的引力波事件等多個天文事件，取得了豐富的成果。

另外，中科院“十三五”先導(dǎo)專項衛(wèi)星愛因斯坦探針（EP）著眼于軟X射線波段，預(yù)計將于2022年前后上天。蔣凝介紹道，這個衛(wèi)星特別適合捕捉黑洞潮汐摧毀并吞噬恒星產(chǎn)生的X射線暫現(xiàn)爆。

茍利軍認為，包括黑洞內(nèi)部的結(jié)構(gòu)、奇點、對黑洞樣貌的直接觀測等，都是黑洞研究的當前熱點問題。另外，理論上銀河系內(nèi)的黑洞應(yīng)該有上億個，但是目前只找到了上百個，大多數(shù)黑洞在什么地方也是困擾人們的問題。

隨著越來越多的高精度先進觀測設(shè)備的服役，一個又一個黑洞相關(guān)的科研問題將在科學(xué)家面前揭開謎底。