我们倾向于认为黑洞会吞噬周围的所有物质——但它们实际上可以喷出与吸入量一样多的物质。有时它们似乎会变得完全疯狂。
天文学家最近发现一个距离地球近 10,000 光年的黑洞，喷射出巨大的 X 射线光爆炸。对这次爆发的测量使科学家们对黑洞爆发能量时会发生什么有了迄今为止最清晰的认识。“我们的一个大问题是，我们如何从物质流入黑洞的过程过渡到物质流出的过程？”马里兰大学帕克分校的天文学家艾琳·卡拉说，她是本周发表在《自然》杂志上一篇关于这项发现的论文的主要作者。“我们知道这种情况正在发生，但我们不了解它的详细工作原理。”卡拉星期三在西雅图举行的美国天文学会年会上介绍了这项发现。
这次爆发始于 2018 年 3 月 11 日，并迅速将一个望远镜完全看不到的黑洞转变成整个天空中最亮的物体之一（就 X 射线光而言）。这个名为 MAXI J1820+070 的物体最初是由国际空间站上的全天 X 射线图像监测器 (MAXI) 实验发现的。空间站上的另一个天文台，中子星内部成分探测器 (NICER)，在接下来的几个月里，几乎每天都对耀斑进行观测。
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天文学家不仅测量了黑洞在这段时间内的极度变亮，他们还观察到他们称之为“光回波”的现象——来自黑洞周围两个不同区域的 X 射线光之间的时间延迟。一些光直接来自一个称为日冕的区域，该区域由靠近黑洞的电子和其他带电粒子组成。更远且垂直于日冕的是“吸积盘”——一个更宽的 газовый блин 围绕黑洞旋转并落入其中。另一些光线从日冕中发出并从这个盘上反射出来，稍后到达 NICER 探测器。随着 NICER 观察到爆发，回波之间的时间变得越来越短，表明盘和日冕之间的距离正在缩小。科学家们有证据表明盘的边界没有变化，因此他们得出结论，日冕本身一定在变短，因此光线不必传播那么远才能到达盘。“这是迄今为止最清晰地探测到来自我们银河系类恒星黑洞吸积气体光回波的例子，”斯坦福大学的天体物理学家丹·威尔金斯说，他没有参与这项研究。“能够探测到爆发过程中回波之间的时间延迟变化，意味着我们可以开始了解黑洞周围正在发生的事情。”
这张插图显示了来自黑洞日冕（蓝色）的 X 射线从其吸积盘（橙色）反射出来。对这些回波进行计时有助于科学家确定日冕正在随着时间推移而缩小。图片来源：美国宇航局戈达德太空飞行中心
专注于日冕尤其有帮助，因为科学家认为这个区域很可能是发射强大粒子束和光束（称为相对论性喷流）的基地。这些喷流以接近光速的速度传播，并且可以从宇宙各处的黑洞中被发现。“从我的角度来看，这篇论文的最大乐趣在于，我们真的可以‘看到’日冕在爆发演变过程中缩小，”佛罗里达大学的斯蒂芬·艾肯伯里说，他是这篇新论文的合著者。“我不知道对这种‘收缩’有任何真正的理论预测，也不知道之前有任何观察到这种情况，因此这个结果将需要彻底修改我们现有的关于喷流形成的理论。”
这项研究中的黑洞质量约为太阳的 10 倍。新的观测结果应该有助于天文学家不仅了解像这样的恒星级黑洞，还能了解位于星系中心并包含数百万倍质量的巨大“超大质量”黑洞。“这些恒星级质量系统是超大质量黑洞的便捷类似物，”卡拉说。“它们具有相似的组成部分，但我们看到爆发持续数周和数月，而超大质量黑洞的爆发则持续数年。”新的发现支持了一种关于超大质量黑洞日冕如何结构的理论——称为“灯柱模型”——该模型假设日冕是黑洞上方和下方的灯泡状斑点，而不是弥散的云。“这些新的观测结果与灯柱模型完全一致，”威尔金斯说。“实际上，我们观察到超大质量黑洞耀斑期间非常相似的行为，看到了日冕大小的变化。”
天文学家希望于 2017 年 6 月发射的 NICER 和其他新的天文台将在未来观测到更多的爆发，并帮助填补爆发黑洞的缺失细节。“现在是从事这项工作的激动人心的时刻，”维拉诺瓦大学的物理学家、新论文的合著者乔伊·尼尔森说。“我们正达到一个观测实际上领先于理论的程度。新的任务使我们能够看到以前不一定想到的事物。”