http://www.sciencehuman.com 科学人 网站 2013-10-25
(上海天文台 林清)
近日，科学家对于黑洞的研究取得重大进展，这项进展有助于我们理解为什么我们的银河系中心虽然拥有一个巨大的黑洞，却并没有表现出很强的活动性。这项研究结果发表在最新一期的国际著名的《Science》杂志上，第一作者是美国麻省大学的王青德教授(上海天文台客座教授)。上海天文台的袁峰，南京紫金山天文台的纪丽、南京大学的李致远等中国科学家也都参与了其中的重要研究工作。
黑洞是宇宙中最神秘的天体之一，它的超强引力会吸积周围的气体，形成吸积流。这些吸积流在向黑洞下落的过程中会将引力能转变成气体的热能，从而在许多高能波段(如X射线)发出强烈的辐射。几乎所有的星系中心都存在一个超大质量黑洞，他们的质量在几百万倍到几十亿倍的太阳质量之间，因此通常认为黑洞吸积周围物质而发出强烈辐射就是宇宙中能够持续发光的最明亮天体 — 活动星系核 — 的能量来源。
但是奇怪的是，宇宙中的大部分星系，包括我们所在的银河系，其核心虽然也有巨大的黑洞，但是并没有出现强大的辐射，相对于活动星系核而言，它们显得非常的平静。比如我们的银河系，其核心在X射线波段的辐射比一般活动星系核的辐射强度要弱上11个数量级。
同样是超大质量黑洞，为什么贪吃的程度差别如此巨大？这一问题一直以来是困扰天体物理学家的难题。
大约15年前，有科学家猜想，解决上述问题的关键之一，可能是由于大部分的吸积流进入黑洞势力范围后，在往黑洞下落的过程中损失掉了，这些损失的气体以外流的形式逃出了黑洞的俘获。但是这一想法存在很大的争议。因此，外流是否存在15年来一直是个未解决的问题。一直到去年，上海天文台的袁峰研究员等人通过大型计算机的数值模拟研究，从理论上首次证明，外流必定存在于黑洞吸积流中。
然而，黑洞外围究竟是否存在大量的气体外流，最终还是要靠观测来检验上述理论。这就是这篇《Science》文章的主要内容。这篇文章是基于通过世界上分辨率最高的钱德拉X射线望远镜的详细观测数据的分析做出的研究结果。国际上一个由来自美国、英国、荷兰、以及中国等国家的几十名科学家组成的团队，联合申请得到了总计300万秒观测时间(约35天)的课题，这也是钱德拉望远镜有史以来最大的观测课题之一。
观测目标指向了一处名为人马座A*的区域，这里就是银河系的中心所在，距离我们约2.6万光年。计算表明它的周围半径约4角秒(称为邦迪俘获半径)的范围可视作中心黑洞的势力范围，这相当于史瓦西半径(也就黑洞的真正半径)的40万倍。中心黑洞附近的大质量恒星产生的星风物质进入这个区域后，其运动轨迹将在强大引力的作用下受到严重的扭曲，但是并非一定就会落入黑洞，也有很大的可能会被加速甩出这个区域，这就是本项研究工作所关注的气体外流。
长时间的详尽观测得到了丰富的数据，研究人员通过分析气体中铁元素的发射线，证明了外流的确是存在的。具体来说，该项研究表明，大约99%的进入黑洞势力范围的气体最终没有被黑洞吞噬，而是以外流的形式损失掉了。只有1%进入了黑洞视界。视界是黑洞的真正边界，任何进入黑洞视界的物质，包括光，都不再能够逃脱出来，所以视界之内是绝对的黑暗。任何物质进入视界都将有去无回。
这一成果显然对于我们理解黑洞有巨大帮助，它表明黑洞并不像我们想象的那样“来者不拒”，而是“非常挑剔”！至于产生这一现象的原因，袁峰研究员的理论研究给出了他的回答，只有“牺牲”掉大部分外流，才能带走吸积流的能量和角动量，从而使得小部分气体“修成正果” — 落入黑洞。理论研究表明，银心附近的气体非常弥散而且炽热，黑洞就难以捕捉和吞咽。而那些驱动活动星系核产生强大辐射的贪吃黑洞，是因为它们拥有足够多又冷又密集的气体资源。
袁峰说，“银河系中心的黑洞发现，它并不能随心所欲地吞吃周围所有的东西，那些东西虽然诱人，大部分却是难以下咽。”
研究表明，银河系中心黑洞遭遇的这个尴尬并非它的专利，宇宙中大部分星系核心发生的其实都是这种模式的吸积过程，这就是为什么大部分星系核都显得如此暗淡的重要原因之一。
黑洞吸积是宇宙中最重要的基本物理过程之一，是我们理解活动星系核、伽马射线暴等现象的核心理论。宇宙中大部分的星系都距离我们过于遥远，我们难以分辨其中心的结构。银河系的中心超大质量黑洞为我们提供了一个最好的样本，它是距离我们最近的超大质量黑洞，因此也是研究吸积过程最理想的宇宙实验室。
作为该文的合作者，袁峰研究员与该论文的其他两位作者一起，接受了美国国家宇航局(NASA)的专访，解答了记者提出的有关问题。链接如下：
Science原文链接：
http://www.sciencemag.org/content/341/6149/981.full
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