在距离地球3亿光年的英仙座星系团黑暗中心,一个超大质量黑洞已经唱了25亿年的同一个音符。它的音调比中央C低57个八度,并且根据NASA钱德拉X射线中心的科学家称,是一个洪亮的降B调。然而,这在太空真空中是如何可能的呢?
声音需要介质,例如水或空气才能传播。在地球上,声波从其起源移动,通过引起周围空气分子的振动。振动从一个分子传递到另一个分子;当它们撞击耳朵时,就被理解为噪音。但是由于在太空的广阔区域中既没有空气,也没有水,也没有其他许多东西存在,因此声音很难在那里传播。
需要一个超大质量黑洞——就像一个强壮的歌剧女主角——才能在太空中唱出一个共鸣的音符。这些巨大的天体质量范围从我们太阳的数十万倍到数百亿倍,并且通常发现在活跃星系的中心。例如,人马座A*——一个超大质量黑洞——就位于我们自己的星系银河系的中心。
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根据传统观点,黑洞以其强大的引力而闻名,这种引力非常强大,以至于没有任何东西可以逃脱。但这不太正确——有些物质确实会逃脱。黑洞的引力将物质和能量的混合物拉入其周围的吸积盘——一种由气体和尘埃形成的环状结构。但是,其中一些物质以“相对论喷流”的形式从黑洞的两极猛烈喷射出来。这些喷流涌入洞周围灼热的气体中,并在原本均匀的云层中产生空腔。
“声波是压力波。黑洞,或者至少是它们的相对论喷流,可以产生巨大的声波,然后这些声波会在周围的星系气体中传播,”研究英仙座星系团的斯坦福大学物理学教授天文学家史蒂文·艾伦解释说。“当包含以接近光速运动的物质的相对论喷流撞击弥漫在巨型椭圆星系和星系团中的热气体时,它们会敲击‘星系鼓’,就像是这样。”喷流充当“鼓槌”,而气体表面充当“鼓面”。
虽然人们听不到这些波(因为声音无法穿过分隔“鼓”和我们之间的巨大真空),但我们可以使用X射线观测“看到”它们。当声波在星系和星系团中灼热的气体中传播时,压力较大的区域(声波峰值)往往在X射线中显得更亮;较暗的区域(波谷)则更暗。
钱德拉X射线望远镜对英仙座星系团的观测显示,大致同心圆的明亮和较暗气体涟漪,表明存在声波。“我们看不到波的移动,”艾伦说。“相关的时间尺度太长了,因为波的周期约为1000万年——但我们有一个关于它们的清晰‘快照’。”
英仙座的黑洞不是宇宙中唯一的星系歌唱家。M87星系拥有宇宙中质量最大的黑洞之一,也以低吟而闻名。虽然它的歌声不如英仙座那样稳定,但它更复杂,音符低至中央C以下59个八度。
“没有理由要求黑洞唱同一个音符,”钱德拉X射线中心的天体物理学家彼得·埃德蒙兹说。拥有更多物质的星系可能会发出更深沉的声音,因为这种物质可能导致黑洞发生更大但不太常见的爆发。埃德蒙兹说,肯定还有其他重要因素会影响黑洞的特定声音,例如气体的温度及其位置,但细节尚不清楚。
他补充说,其他星际物体和事件也会产生声波。事实上,自宇宙诞生后不久,大爆炸的回声就一直在嗡嗡作响。
根据弗吉尼亚大学天文学家马克·惠特尔的说法,大爆炸的声波是在宇宙最初的38万年间产生的,当时太空仍然笼罩着含有自由电子的气体。然而,一旦雾气消散,宇宙就陷入了沉默。
然而,大爆炸的歌谣仍然可以被探测到,惠特尔将其描述为“一种下降的尖叫声,变成越来越深的咆哮声,随后是不断增长的嘶嘶声。”他补充说:“也许最引人注目的是,在大爆炸的声音中存在一个基音和一组谐波。”
当然,大爆炸本身是无声的,因为压力需要时间才能跨越距离并产生声波。只是在稍后,当压力力穿过外太空区域并建立声波时,后者才确立了它们的存在。
离我们更近的地方,太阳已经吟唱了数十亿年。太阳表面的对流产生压力波,这些压力波传播到内日冕并返回表面,导致表面沸腾和振动。这些深层的三维声波使科学家能够更好地了解太阳的内部结构。
事实上,天体音乐,甚至超大质量黑洞的音乐,都提供了对我们宇宙基本性质的洞察。虽然地球上没有任何生物可以听到外太空的音乐,但宇宙仍在继续其管弦乐表演。为了理解,科学家们密切观察(和倾听)——这使得天文学家成为地球上最好的听众。