黑洞為什么閃爍？研究調(diào)查了5000只食星巨獸 _黑洞

2022年拍攝到了銀河系中心人馬座A*黑洞周?chē)l(fā)光的吸積盤(pán) 。Credit: EHT Collaboration
據(jù)美國(guó)物理學(xué)家組織網(wǎng)（Christian Wolf, The Conversation）：即使以天文學(xué)家的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看，黑洞也很奇怪。它們的質(zhì)量是如此之大，它使它們周?chē)目臻g彎曲得如此之緊密，以至于任何東西都無(wú)法逃脫，甚至連光本身也無(wú)法逃脫。
然而，盡管黑洞著名的黑色，一些黑洞還是非常可見(jiàn)的。這些星系真空吞噬的氣體和恒星在單向進(jìn)入黑洞之前被吸進(jìn)了一個(gè)發(fā)光的圓盤(pán)，而這些圓盤(pán)比整個(gè)星系更明亮。
更奇怪的是，這些黑洞閃閃發(fā)光。發(fā)光圓盤(pán)的亮度可能會(huì)每天波動(dòng)，沒(méi)有人完全確定原因。
我們依靠NASA的小行星防御努力，在五年內(nèi)觀察了5000多個(gè)天空中增長(zhǎng)最快的黑洞，試圖了解為什么會(huì)出現(xiàn)這種閃爍。在《自然天文學(xué)》的一篇新論文中，我們報(bào)告了我們的答案：一種由摩擦力和強(qiáng)引力和磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的湍流。
巨型食星者
我們研究超大質(zhì)量黑洞，這種黑洞位于星系的中心，質(zhì)量與數(shù)百萬(wàn)或數(shù)十億個(gè)太陽(yáng)一樣大。
我們自己的銀河系，銀河系，在其中心有一個(gè)這樣的巨星，其質(zhì)量約為400萬(wàn)個(gè)太陽(yáng) 。在大多數(shù)情況下，組成銀河系其余部分（包括我們的太陽(yáng)）的大約2000億顆恒星快樂(lè)地圍繞著中心的黑洞運(yùn)行。
然而，在所有星系中，事情并不是那么平靜。當(dāng)成對(duì)的星系通過(guò)引力相互吸引時(shí) ，許多恒星最終可能會(huì)被拉得離星系黑洞太近。這對(duì)星星來(lái)說(shuō)是個(gè)糟糕的結(jié)局：它們被撕碎并吞噬。
我們相信這一定發(fā)生在黑洞重達(dá)10億個(gè)太陽(yáng)的星系中，因?yàn)槲覀儫o(wú)法想象它們?cè)趺磿?huì)變大。這也可能發(fā)生在過(guò)去的銀河系。
黑洞也可以以一種更慢、更溫和的方式進(jìn)食：吸入被稱(chēng)為紅巨星的老年恒星噴出的氣體云。
給料時(shí)間
在我們的新研究中，我們仔細(xì)觀察了宇宙中增長(zhǎng)最快的5000個(gè)黑洞的攝食過(guò)程。
在早期的研究中，我們發(fā)現(xiàn)了胃口最大的黑洞。去年，我們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)黑洞，它每秒都會(huì)吃掉相當(dāng)于地球的東西。2018年，我們發(fā)現(xiàn)了一種每48小時(shí)吃掉一整個(gè)太陽(yáng)的動(dòng)物。
但我們對(duì)它們的實(shí)際進(jìn)食行為有很多疑問(wèn) 。我們知道，在進(jìn)入黑洞的過(guò)程中，物質(zhì)會(huì)螺旋狀地進(jìn)入一個(gè)發(fā)光的“吸積盤(pán)”，其亮度足以超過(guò)整個(gè)星系。這些可見(jiàn)的黑洞被稱(chēng)為類(lèi)星體。
這些黑洞中的大多數(shù)都離我們很遠(yuǎn)很遠(yuǎn) ，我們看不到磁盤(pán)的任何細(xì)節(jié) 。我們?cè)诟浇暮诙粗車(chē)幸恍┪e盤(pán)的圖像，但它們只是在吸入一些宇宙氣體，而不是在享用恒星。
五年閃爍的黑洞
在我們的新工作中，我們使用了美國(guó)宇航局位于夏威夷的ATLAS望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù) 。它每晚掃描整個(gè)天空（如果天氣允許），監(jiān)測(cè)從外部黑暗中接近地球的小行星。
這些全天掃描也恰好提供了背景深處饑餓黑洞發(fā)光的夜間記錄。我們的團(tuán)隊(duì)為每一個(gè)黑洞制作了一部為期五年的電影，展示了吸積盤(pán)的氣泡和沸騰的發(fā)光漩渦導(dǎo)致的亮度的日常變化。
這些黑洞的閃爍可以告訴我們一些關(guān)于吸積盤(pán)的信息。
1998年，天體物理學(xué)家史蒂文·巴爾布斯（Steven Balbus）和約翰·霍利（John Hawley）提出了一種“磁旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定性”理論，描述了磁場(chǎng)如何在磁盤(pán)中引起湍流。如果這是正確的想法，那么磁盤(pán)應(yīng)該以規(guī)則的模式發(fā)出嘶嘶聲。它們會(huì)以隨機(jī)的模式閃爍，隨著圓盤(pán)的旋轉(zhuǎn)而展開(kāi) 。較大的圓盤(pán)以緩慢的閃爍速度運(yùn)行得更慢，而較小的圓盤(pán)則以更快的速度運(yùn)行得更快。
但現(xiàn)實(shí)世界中的磁盤(pán)會(huì)證明這一點(diǎn)嗎？（“簡(jiǎn)單”一詞是否是描述超密度、失控環(huán)境中的湍流的正確詞匯，而這種環(huán)境中的空間本身就被彎曲到了臨界點(diǎn)，這可能是一個(gè)單獨(dú)的問(wèn)題。）
使用統(tǒng)計(jì)方法，我們測(cè)量了5000個(gè)磁盤(pán)發(fā)出的光隨著時(shí)間的推移閃爍的程度。每一個(gè)閃爍的模式看起來(lái)都有些不同。
但當(dāng)我們按大小、亮度和顏色對(duì)它們進(jìn)行分類(lèi)時(shí)，我們開(kāi)始看到有趣的圖案。我們能夠確定每個(gè)磁盤(pán)的軌道速度，一旦你將時(shí)鐘設(shè)置為以磁盤(pán)的速度運(yùn)行，所有的閃爍模式看起來(lái)都是一樣的。
這種普遍的行為確實(shí)是由“磁旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定性”理論所預(yù)測(cè)的。
真是令人欣慰！這意味著這些令人難以置信的大漩渦終究是“簡(jiǎn)單”的。
這也開(kāi)啟了新的可能性。我們認(rèn)為吸積盤(pán)之間剩下的細(xì)微差別是因?yàn)槲覀儚牟煌姆较蛴^察它們。
下一步是更仔細(xì)地檢查這些細(xì)微的差異，看看它們是否具有辨別黑洞方向的線索。最終，我們未來(lái)對(duì)黑洞的測(cè)量可能會(huì)更加精確。