「薄盤材料」在黑洞周圍旋轉，黑洞增速比同星系恆星的形成更快？

作者：文/虞子期

眾所周知，宇宙中的超大質量黑洞並不是簡單的生成，需要通過時間吞噬恆星和氣體等物質而逐漸變大。在黑洞周圍的物體、甚至是光，都會因為其巨大的引力而難以逃脫，並且，黑洞的中心是一個具有熱量和密度無限大、體積無限小、時空曲率無限高等特性的奇點。跟黑洞探索相關的內容，也是我們所有人最感興趣的天文領域之一。在哈勃太空望遠鏡對一個超大質量黑洞的探測過程中，科學家們發現「薄盤材料」在該黑洞周圍旋轉，黑洞增速比同星系恆星的形成更快？

黑洞周圍的磁碟和相對論測試

在哈勃望遠鏡的圖像中，星系的旋轉旋臂被完整地顯示出來：粉紅色的星雲、年輕的藍色恆星，以及輪廓上的灰塵。而其中巨大的黑洞則潛伏在觀螺旋星系NGC 3147的心臟周圍，距離我們大約1.3億光年，並且，有一個意想不到的「薄盤材料」在其周圍旋轉，而它的重量大約則達到了太陽質量的2.5億倍。根據目前的天文學理論而言，這樣接近黑洞地磁碟是不應該存在的。它和黑洞之間的距離很靠近，以至於光子的外觀正在被高強度的引力和速度所影響。該薄薄的霧狀材料並沒有在圓盤中形成扁平的形狀，反而是像甜甜圈一樣膨脹。科學家們同樣很疑惑，在NGC 3147中，為什麼這個圍繞著黑洞的薄圓盤，可以模仿極其活躍的星系中所發現的更強大的圓盤，而這些星盤中又充滿了巨大的黑洞。

我們知道，相對論存在廣義和俠義之分，廣義相對論將重力描述為空間曲率，而狹義相對論描述的則是時空之間的關係。然而，在可見光下，科學家們從未看到普通和狹義相對論的影響。因此，黑洞周圍存在磁碟，又可以為愛因斯坦相對論的測試，提供一個難得的機會，愛因斯坦的兩個相對論都通過哈勃對黑洞的觀察進行了印證。黑洞強大的引力捕獲了氣體所散發出的光芒，呈現出在中心周圍旋轉的紅黃色特徵，綠色網格所顯示的則是黑洞嵌入其引力場的深處，光線難以從強大的引力場中逃脫，這便是愛因斯坦廣義相對論中所描述的一個原理；與此同時，在黑洞周圍，材料也在快速活動，當磁碟的一側接近地球變時亮、移開時變暗。愛因斯坦的狹義相對論，便預測了這種被稱為相對論性束縛的效應。

宇宙黑洞被X射線斑點旋轉穿過

在宇宙空間里旋轉的黑洞，會和我們看到的大海一樣，在自己的周圍形成一個旋轉的洪流/漩渦。它們之間的區別在於，黑洞所產生的漩渦與水或風都是無關的。並且，黑洞所產生的塵埃盤和氣體會被加熱到數億度，並且，在X射線下的它們會散發出自己的光芒。科學家們通過技術實現了對五個超大質量黑洞旋轉情況的探測，利用引力透鏡這種自然現象發現，其中一個宇宙漩渦中的物質圍繞其黑洞旋轉的速度特別快，甚至超越了光速的70%左右。而後，在其周圍拖動空間，旋轉的黑洞會表現出一些特性。

研究人員便是利用這一點，使物質繞黑洞的軌道移動到了非旋轉黑洞的軌道上。其實，像緊密軌道這樣較小的發射區域，往往也意味著旋轉速度更快的黑洞。科學家們通過微透鏡分析得出，當X射線來自如此小的區域，那麼黑洞必須快速旋轉。相當於事件視界黑洞的不歸點，會以每小時6.7億英里左右進行光速旋轉。那麼，為何這些黑洞旋轉的速度如此之快？科學家們認為，這些超大的質量黑洞，並不是隨機地從某個方向上積累大部分材料進行增長，而是經過數十億年的時間，從一個相似的旋轉方向旋轉的吸積盤，就好比旋轉木馬被推向同一個方向一樣。

銀河系中心附近的數千個黑洞

在銀河系中心附近，科學家們通過錢德拉X射線天文台發現了數千個黑洞存在的證據，它們就位於射手座A *（Sgr A *）的超大質量黑洞的三個光年內。這些多達20000個恆星質量的黑洞在Sgr A *周圍漂移和聚集，也是對星系中恆星動力學理論的論證。雖然黑洞本身是不可見的，但科學家們卻可以通過X射線雙星來觀察，材料在消失進入黑洞之前，會產生X射線，其中一些X射線雙星里的錢德拉圖像，看上去會有一些像點狀源。

科學家們研究了Sgr A *附近黑洞的X射線雙星數據，這些X射線光譜包含了它大約12光年以內的光源，並觀察了在不同能量的情況下所看到的X射線量。最終得出，在其附近地大約有十多個X射線雙星中會有黑洞存在。在多年的時間尺度上，它們所顯示的變化量和其中含有中子星的X射線雙星，出現了與預期值不一致的情況。了解這樣典型的星系中心地黑洞數量，對預測可能與它們相關的引力波事件數量會有很大幫助，也可以為未來的引力波研究提供了重要信息。

黑洞增速比同星系恆星的形成更快

科學家們為了研究距離地球43-122億光年的星系中黑洞的增長率，便收集了很多相關數據，其中包括星系中恆星的形成數據，以及超大質量黑洞在其中心的生長數據，通過研究表明，在它們的宿主星系中，那些存在的恆星和黑洞存在相互串聯的關係，並且，在大質量的星系中，黑洞增長的速度會遠比質量較小的星系快，而宇宙中質量最大的黑洞，它的增長速度也會比同星系中其他恆星的形成速度更快。那又是什麼原因導致了這樣的現象發生？或許是因為在向中央超大質量黑洞供應冷氣體這個方面，大質量的星系會比在質量較小星系中的黑洞中更為有效吧，這也是目前較為合理的解釋。

與此同時，科學家們在研究了距離地球最遠約35億光年、位於星系團中心的72個星系之後，有證據表明質量最大的黑洞的增長速度，已經遠遠超過其宿主星系中的恆星。通過估算這些星系團中的黑洞所具有的質量，可以將X射線和與黑洞相關的無線電發射聯繫到一起，而這樣估算出的黑洞質量會達到另外一種質量估演算法的10倍。科學家們將這種達到太陽質量100億倍以上的黑洞，都稱為超大質量黑洞。正因為黑洞本身就是一種極端存在的物體，所有在它們中最極端的例子，也會打破我們認為它們應該遵守的規則吧。

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