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黑洞是怎麼觀測到的?其實你看到的只是“吸積盤”

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發表於 2018-8-15 13:55:07 | 顯示全部樓層 |閱讀模式
來源: 新浪科技

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活動星系核的統一模型認為,所有活動星系核都具有相同的基本組成(吸積盤、噴流、遮蔽環);我們觀察到的種種巨大差異,都是這些部分在太空中的視線方向不同造成的。

  新浪科技訊 北京時間8月14日消息,據國外媒體報道,天文學術語有時候在字面上會造成誤解。我們喜歡根據對各種天體的第一印象來命名,比如,如果它又紅又大,那就是“紅巨星”(Red Giant);如果是又白又小,那就是“白矮星”(White Dwarf);規模龐大的爆炸就叫“大爆炸”(Big Bang);黑得看不見,又能吞噬各種東西的,那就叫“黑洞”(Black Hole)。大多數情況下,這種命名方式很好用——無論命名的對象是新事物,還是我們已經知道的東西。但有時候,比如冥王星的例子,我們會獲得新的觀測結果,迫使我們質疑它的分類,在重新評估之後以另一種方式認識它。你或許認為這種情況永遠不會發生在像黑洞這么定義明確的事物上,但你錯了。
  盡管無法直接觀察黑洞,但我們能觀察到兩類黑洞——恆星黑洞和超大質量黑洞——如何影響周圍的天體。恆星黑洞是大質量恆星死亡時經歷超新星爆發並塌縮而形成的,在宇宙中更為普遍,早在近一個世紀前就由愛因斯坦的廣義相對論所預言;它們通常只能影響距離最近的一兩顆恆星。相比之下,超大質量黑洞的質量是恆星黑洞的百萬倍以上。我們目前仍不清楚超大質量黑洞如何形成,但天文學家認為它們存在於幾乎每個星系的中心,有時甚至能夠改變整個星系的外觀。
  這種質量扭曲的能力使描述超大質量黑洞的特徵變得十分棘手。隨着星系中心的恆星、氣體和塵埃越來越接近超大質量黑洞,它們越來越緊密地進入越來越小的空間,逐漸升溫,直到在一個臨界距離時,一切都被撕裂,還原成原子等粒子。當我們發現超大質量黑洞時,實際看到的是圍繞黑洞並散發熱量的碎片——稱為“吸積盤”——而不是黑洞本身。
  一些超大質量黑洞會比其他黑洞“吞噬”更多物質,並且在這一過程中發出更多的光。這些活動星系核(active galactic nuclei,縮寫為AGN)是宇宙中最明亮、能量最高的天體之一。它們不僅發散熱量,而且經常以垂直於吸積盤平面的高速噴流形式拋射出物質,規模之大,使吸積盤甚至星系本身都相形見絀。此外,一些活動星系核還具有充滿塵埃的遮蔽環,形狀上很像甜甜圈,並且與吸積盤處於同一個平面,只是范圍更大、更厚。事實上,活動星系核厚度之大,如果你從側面看它們,會根本看不到吸積盤,更不用說吸積盤中心的黑洞了。
  因此,我們可以將這種活動星系核的標准模型描述為:一個超大質量黑洞被一個吸積盤包圍,高速噴流以相反方向沿吸積盤法線噴出,這一切都包圍在一個塵埃遮蔽環之內。雖然有這樣的標准模型,但實際觀測結果的解釋依然是一個挑戰:我們看到的光並不總是呈現同樣的畫面。有時候我們會看到噴流,有時候看不到。有時候能看到塵埃遮蔽環,有時候看不到。有時候我們看到的光線如此集中和明亮,甚至無法分辨那裡是否存在一個星系。我們對這些觀察依次進行了記錄:一些距離遙遠的活動星系核的核心如此明亮,其可見光甚至超過了它們內部的恆星,這些活動星系核被稱為類星體(quasar);具有很強紅外輻射的活動星系核稱為賽弗特星系(Seyfert galaxies),以1943年首次識別它們的美國天文學家卡爾·賽弗特(Carl Seyfert)命名;還有一些活動星系核的核心和噴流所發射的輻射,在無線電頻譜中佔主導地位,它們被稱為射電星系(radio galaxies)。
  如果這些活動星系核的能量都來自超大質量黑洞,那為什麼它們看起來如此不同?一個原因可能是我們的視角。活動星系核的統一模型認為,所有活動星系核都具有相同的基本組成(吸積盤、噴流、遮蔽環);我們觀察到的種種巨大差異,都是這些部分在太空中的視線方向不同造成的。
  在地球上,我們只有一個觀察宇宙的有利位置。我們看到的是隨機分布在我們周圍的星系,其中一些以邊緣朝向我們,另一些則以盤面朝向我們,其餘星系的朝向角度則處於二者之間。我們沒辦法飛到這些星系周圍,以朝向以外的角度來觀察它們。不過,隨着超級計算機的出現,我們現在可以比以往更好地模擬這些星系,隨心所欲地“飛向”它們,從任意角度進行觀察。我們可以將活動星系核翻過來,透過噴流觀察其核心,使其類似耀變體(blazar)——噴流在大概方向上朝向地球的活動星系核。接着,逐漸使活動星系核傾斜,使其噴流旋轉90度遠離我們,它就會從耀變體變成類星體,最終變成賽弗特星系。
  當然,活動星系核的統一模型在天體物理學上還遠不是定論。在我們的視角之外,還可能有其他因素在起作用,比如黑洞內部和周圍的物理過程,我們對此既沒有完全理解,也尚未想到如何加以測量。隨着更先進的望遠鏡投入使用,以及新數據的不斷積累,我們或許能看到這些活動星系核的真實情況。否則,我們可能就需要繼續思考該怎麼命名了。




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