云团奔向银河系黑洞,令天文学家困惑

过去一年,世界各地的天文学家一直在观测银河系的中心,期待着一次千年一遇的事件。大约在现在(或者,严格来说,是24000年前——这大约是银河系中心以光年计的距离),一团气体和尘埃云正坠向我们星系的超大质量黑洞,[...]

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本文发表于《大众科学》的前博客网络,反映了作者的观点,不一定代表《大众科学》的观点


G2 尘埃云接近银河系中心黑洞的模拟图。围绕黑洞的恒星轨道以蓝色标出。图片来源:M. Schartmann 和 L. Calcada/欧洲南方天文台和马克斯·普朗克地外物理研究所。

过去一年,世界各地的天文学家一直在观测银河系的中心,期待着一次千年一遇的事件。大约在现在(或者,严格来说,是24000年前——这大约是银河系中心以光年计的距离),一团气体和尘埃云正坠向我们星系的超大质量黑洞,人马座 A*,预计将达到其最近距离。黑洞的潮汐力应该会把云撕成碎片。最终,人马座 A* 甚至可能会吞噬掉其中的一些碎片。如果发生这种情况呢?烟火表演。X射线和其他辐射应该会像雨点般降落在地球上所有那些密切关注的望远镜上。我们将首次实时目睹黑洞的吞噬过程。

但是我们离银河系中心太远了,很难确切知道那里发生了什么,而且这片被天文学家称为 G2 的云的性质,已经成为争论的主题很长一段时间了。马克斯·普朗克地外物理研究所的天文学家斯特凡·吉勒森和他的同事在2011年在《自然》杂志上宣布发现 G2 时,将其描述为一团寒冷、稠密的气体和尘埃云。与此同时,加州大学洛杉矶分校的安德烈娅·盖兹则认为 G2 的中心可能有一些恒星。这听起来像是一个相当学术性的区别,但如果你考虑到 G2 实际上是一颗尘土飞扬、多风的恒星,它与黑洞的相互作用将与尘埃云截然不同。也就是说,烟火表演可能会被取消。恒星的引力会将云紧紧地束缚在一起,使黑洞无法将其撕成碎片。相反,它会拉走中心恒星周围的气体和尘埃包层,并揭示其内部的结构。


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3月19日和20日,盖兹和她的同事从夏威夷莫纳克亚山的 W. M. 凯克天文台观测了银河系中心。在观测之前,盖兹和她的同事对结果进行了打赌。“如果它是尘埃云,它就不会在那里,”盖兹说,因为它会被撕成碎片。“如果它是一颗恒星,它就会在那里。”

两个晚上,它都在那里。“我们看到了 G2,清晰可见,”盖兹说。

盖兹和她的同事在今天下午发布到在线论坛 Astronomer's Telegram 的一份报告中描述了这次观测。目前,他们只能说 G2 仍然在那里,完好无损,并且正在接近黑洞。“这并不意味着它没有气体,”盖兹说。天文学家会在一个月左右的时间里了解更多,届时他们将以不同的波长观测 G2。“但是可以排除简单的气体云假设,”她说。

盖兹追踪银河系中心的恒星已经将近二十年了。事实上,她的发现在银河系中心,大质量恒星像行星围绕太阳一样围绕着一个空白点运行,这到目前为止是最有力的证据,表明银河系中心包含一个 400 万太阳质量的黑洞。她假设 G2 最终可能会成为另一颗这样的恒星。

论点是这样的:盖兹记录的围绕人马座 A* 运行的恒星太年轻了,我们不明白它们是如何到达银河系中心的;它们应该很难在那里形成。一种理论是,这些恒星(称为 S 星)中的每一颗都曾经是一个双星系统的一部分——一对围绕一个共同质心运行的恒星。当这对恒星坠入银河系中心时,黑洞将它们撕裂。“黑洞抓住一个,把另一个甩出去,”盖兹说。“你最终得到一个以非常偏心的轨道束缚在黑洞上的物体。G2 的偏心率极高,这正是预测的结果。”那么,也许 G2 是一颗双星,正在成为一颗 S 星的路上。

盖兹的论点继续如下:为了解释我们在银河系中心看到的情况,你需要一个物体,它在远离中心束缚物体的地方有气体——否则,来自黑洞的潮汐力将无法剪切掉气体。而 G2 肯定正在被潮汐剪切,盖兹说。“该区域的典型恒星足够紧凑,不应该发生潮汐相互作用。这是黑洞和中心物体之间的竞争。如果黑洞的引力获胜,那么物质就会被剥离。”科学家们已经提出了几种可以解释这种奇怪安排的理论,盖兹说,但所有这些理论都预测 G2 会随着它越来越接近黑洞而变得更亮。“这种情况没有发生,”她说。“你不仅看到了它并且它很紧凑,而且它的亮度根本没有改变。”

所有这些都是推测,盖兹承认。“我们正在努力提出一个符合奥卡姆剃刀原则的理论。”

到目前为止,来自其他春季观测的证据——至少到目前为止报道的证据——是模棱两可的。西北大学的达里尔·哈加德正在领导今年使用钱德拉 X 射线卫星望远镜对人马座 A* 的观测。“我们还没有在 X 射线中看到 G2,”哈加德在三月下旬说。“如果我们在未来几个月内真的没有探测到 G2 的任何东西,这可能会支持恒星的解释,”哈加德说。

恒星的解释——也就是说,G2 是一个被气体包围的恒星,而不是一个纯粹的尘埃云——仍然不能完全解决这个物体是什么,以及它在未来几个月和几年里将如何与人马座 A* 相互作用的谜团。哈加德指出,即使 G2 是一颗恒星,它在穿过黑洞周围的热气体时仍然可以释放 X 射线。G2 是“一个寒冷的小子弹,猛烈撞击人马座 A* 周围的热扩散介质”。这种冲击可能会产生冲击波,加速粒子直到它们发射 X 射线。“目前还不完全清楚为什么一颗恒星不会驱动其中一个冲击波,”她说。

如果事实证明我们看不到人马座 A* 粉碎尘埃,很多人无疑会感到失望。盖兹不会是其中之一。

“我对此感到兴奋的原因是,我们银河系中的大多数恒星都是双星,”她说。“到目前为止,我们完全忽略了双星的影响。”她说,这是一个巨大的盲点。“这就像把社会建模成每个家庭单位都由一个成年人组成一样。除非你了解有两个人参与,否则你无法了解家庭。”

最终,G2 到底是什么并不重要——我们仍然可以看到我们从未见过的事物。“我们的银河系是唯一可以让我们了解黑洞如何与其环境相互作用的地方,”盖兹说。“这是第一次跟踪像这样的事物经过最近距离。”

新奇事物的一个副作用是天文学界的混乱。“这是因为我们以前从未见过这种情况,”她说,“所以才会有困惑。”

Seth Fletcher is chief features editor at 大众科学. His book Einstein's Shadow (Ecco, 2018), on the Event Horizon Telescope and the quest to take the first picture of a black hole, was excerpted in the New York Times Magazine and named a New York Times Book Review Editor's Choice. His book Bottled Lightning (2011) was the first definitive account of the invention of the lithium-ion battery and the 21st century rebirth of the electric car. His writing has appeared in the New York Times Magazine, the New York Times op-ed page, Popular Science, Fortune, Men's Journal, Outside and other publications. His television and radio appearances have included CBS's Face the Nation, NPR's Fresh Air, the BBC World Service, and NPR's Morning Edition, Science Friday, Marketplace and The Takeaway. He has a master's degree from the Missouri School of Journalism and bachelor's degrees in English and philosophy from the University of Missouri.

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