宇宙中遍布黑洞，但正如其名所示，大多数黑洞是不可见的——直到发生某些事情改变了这一点。这种“某些事情”通常是物质流入黑洞。在 2018 年 3 月，一个此前看不见的黑洞爆发了，当时大量物质落入其中，使天文学家得以以前所未有的细节探测和追踪这一事件，并最终绘制出黑洞附近区域的图景。
这项工作于 1 月 9 日发表在《自然》杂志上，由马里兰大学和 NASA 戈达德太空飞行中心的 Erin Kara 领导。Kara 同一天在美国天文学会第 233 次会议的新闻发布会上也介绍了这一结果。该团队利用安装在国际空间站 (ISS) 上的 NASA 中子星内部成分探测器 (NICER)，对恒星级黑洞（指定为 MAXI J1820+070，简称 J1820）进行了数月以来的日常监测，该黑洞于 3 月 11 日爆发。在此期间，他们利用光的回声来绘制黑洞附近区域的图景并观察其随时间的变化。光的回声发生在黑洞附近的光被更远的吸积盘吸收，然后再次发出的过程中，形成一种“回声”。
Kara 在新闻发布会上解释说：“这就像蝙蝠利用回声定位来绘制它们看不见的黑暗洞穴一样，我们利用这些光的回声来限制这个我们无法用望远镜在空间上分辨的黑洞周围的景象。”
黑洞几何形状
虽然许多黑洞只是平静地存在于太空中，没有附近的物质可供吞噬，但有些黑洞存在于双星系统中，其中一颗恒星变成了黑洞，而另一颗伴星则处于其生命周期的早期阶段。J1820 就是这种情况——黑洞正在从一颗恒星上吸取物质，形成一个旋转的物质盘，当物质落入事件视界并消失时，它会升温。吸积盘顾名思义，相对平坦且薄，温度约为 1800 万华氏度（1000 万摄氏度）。更靠近黑洞的是一个球形的“日冕”，由近 20 亿华氏度（10 亿摄氏度）的更热的电子、质子和正电子组成。
像让团队得以探测到 J1820 这样的爆发，发生在盘中不稳定（例如一团物质）导致物质突然涌向黑洞时，使系统变得更热、更亮。第一个发现这个爆发的黑洞的仪器是日本宇宙航空研究开发机构的全天 X 射线监测器 (MAXI)，它也安装在国际空间站上。一旦 MAXI 探测到事件，NICER 就开始定位并更详细地研究从黑洞发出的 X 射线。
绘制地图
在爆发期间，热的日冕向四面八方发光。一部分光撞击吸积盘，被吸收，升温，然后发出自己的光。这个过程所需的时间就是光从日冕传播到吸积盘不同部分的距离（以光速传播）。回声之间的时间延迟告诉天文学家回声来自吸积盘的哪个位置。研究人员可以通过时间差来拼凑出吸积盘的景象。
Kara 说，NICER “具有令人难以置信的快速、高时间分辨率”，这意味着它可以快速地进行单独测量，以便天文学家能够更详细地观察正在发生的事情。Kara 说，这种更高的细节意味着“我们能够测量到恒星级黑洞系统中前所未见的光回声。这意味着我们通过这些光回声探测到的黑洞区域比以往任何时候都更近。”
逐渐靠近
但是，还有其他事情在发生。Kara 说：“在我们观察系统几周后，我们看到光回声越来越近。这表明系统中的某些东西正在缩小——要么是吸积盘向内收缩，要么是日冕在收缩。”
他们如何区分两者？来自黑洞更近区域的吸积盘的光回声更红，因为光在试图逃离黑洞巨大引力时会被拉伸。这被称为引力红移。通过观察发生的最大的拉伸，团队得以了解吸积盘离黑洞有多近，以及这个距离是否随时间变化。
她说：“我们注意到，引力红移最强的辐射——来自最内层区域的辐射——其量根本没有改变。这向我们表明，吸积盘本身靠近中心黑洞，并且不会随时间演变。但是，由于光回声越来越短、越来越近，这意味着日冕正在收缩。”
她的团队估计，在几周内，“日冕从大约 100 英里（160 公里）收缩到只有 10 英里（16 公里）。”
麻省理工学院卡弗里天体物理学和空间研究所的研究员、该研究的合著者 Jack Steiner 在一份新闻稿中说：“这是我们第一次看到在爆发演化的特定阶段，日冕正在收缩的证据。日冕仍然相当神秘，我们对它的了解仍然很模糊。但我们现在有证据表明，系统中发生演变的是日冕本身的结构。”
更大的画面
这项开创性的观测不仅将帮助天文学家更好地理解质量是太阳数十倍的恒星级黑洞的运作方式，而且还可以应用于质量是太阳数百万甚至数十亿倍的超大质量黑洞。
Kara 说：“在恒星级黑洞中，[这些爆发] 在几周到几个月的时间尺度上发展。因此，我们可以实时观察这种演变，现在我们发现是日冕在驱动这种演变。”但她补充说，在超大质量黑洞中，这种爆发发生在数十亿年的时间尺度上。她解释说，通过将较小黑洞在较短时间内发生的现象放大，天文学家可以更深入地了解物质如何落入超大质量黑洞区域并引起变化，其规模要大得多。反过来，这将使天文学家能够更好地理解这些庞然大物如何影响它们周围的环境，进而影响它们周围星系的演变。
她说：“这些恒星级黑洞是研究日冕和吸积几何实时演变的绝佳模型。”
