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黑洞以光速的 30% 吞噬恒星物质

非凡的黑洞观测揭示了一团物质以惊人的速度坠落,重塑了我们对混乱吸积过程的理解。

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这张艺术概念图展示了一股物质流在黑洞撕裂并吞噬一颗不幸恒星时,正向黑洞涌去。图片来源:NASA/JPL-Caltech

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一旦越过事件视界——那个无法返回的点——任何物质都无法逃脱黑洞。虽然黑洞的深处可能永远是一个谜,但天文学家可以观测它们周围的区域。在一篇于9月3日发表在《皇家天文学会月报》上的论文中,一个研究团队首次报告称,他们发现了一团物质以接近光速三分之一的速度直接坠入一个遥远的黑洞。

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这些观测来自欧洲空间局的XMM-牛顿X射线天文卫星,观测对象是位于星系PG211+143中心的、质量为4000万个太阳质量的超大质量黑洞,该星系距离地球约10亿光年。PG211+143是一个赛弗特星系,意味着它的中心有一个明亮、活跃进食的黑洞,正在吞噬周围的气体和尘埃。通过按波长分散接收到的X射线,由莱斯特大学的Ken Pounds领导的研究人员测得,一团物质以光速的30%——约每秒56,000英里(每秒90,000公里)——的速度坠入黑洞。“在它被黑洞吞没之前,我们能够跟踪一个地球大小的物质团大约一天,因为它被拉向黑洞,加速到光速的三分之一,”Pounds在最近的一份新闻稿中说。

奇怪的是,坠落的气体没有显示出任何旋转——它不像在黑洞周围闪耀的更大的吸积盘那样运动——从最初距离黑洞只有约20倍黑洞大小的地方被首次观测到时就是如此。

混沌规则

对黑洞的传统“画面”是,中心有一个致密的、巨大的天体,周围环绕着一个炽热的气体盘。这是因为,黑洞相对于其所含的质量来说非常小,坠落的物质无法一次性全部挤进黑洞——相反,它会形成一个旋转的盘,就像水流向下水道一样,最终接近黑洞并坠入其中。当物质从外盘向事件视界移动时,它会失去引力势能,转化为辐射,天文学家可以观测到这种辐射。

在这种传统画面中,吸积盘内物质的轨道被假定与黑洞本身的自旋对齐,形成一个单一的盘。但考虑到这一点,这次观测中,坠落物质几乎没有旋转,这令人费解——至少,直到最近在莱斯特大学开发的,并使用英国DiRAC超级计算机设施运行的计算机模型被引入。

该理论和模型考虑了物质可以从任何方向落向黑洞的事实。也许,与其只有一个盘,不如会形成多个、未对齐的吸积盘,因为物质会不断涌入。然后,物质可以从这些盘中“撕裂”开来,形成物质环,如果它们发生碰撞,就会抵消它们的旋转,从而允许物质直接流入黑洞——正如天文学家观测到的那样。

这种被称为“混乱吸积”的过程,在星系中心的超大质量黑洞等天体中可能很常见,这些黑洞可以吸积大量的物质,尤其是在它们生命早期或与其他星系发生近距离相互作用之后。混乱吸积可能会随着时间的推移减慢超大质量黑洞的自旋,从而使黑洞更容易吞噬物质并快速增长——并发出明亮的光芒——这些都是在早期宇宙中这些天体上观察到的特征。

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