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黑洞是什么样子的

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发表于 2016-2-2 00:43:03 | 显示全部楼层 |阅读模式

在天体物理学中,通常用观测到的事物的特征来为其命名。如果看到一个红而巨大的东西,我们叫它“红巨星”;如果是白而小的东西,我们叫它“白矮星”;如果是巨大的爆炸,我们叫它“大爆炸”;如果是黑且能吸入一切的东西,我们叫它“黑洞”。多数情况下,这样将物体分类没有什么问题——无论该物体是新发现的,还是我们已知的。但是,天文学家有时会过分咬文嚼字,因为一些新发现对事物的名字提出质疑,并进行评估和修改,就像冥王星那样。你说类似“黑洞”这种命名清晰的事物不会出现以上状况?你错了。


尽管我们不能直接观察黑洞,但我们可以看到两种黑洞——恒星质量黑洞和超大质量黑洞——对其周围事物的影响。恒星质量黑洞是人们较为熟悉的,是恒星在死亡过程中塌缩的产物。在大约一个世纪以前,爱因斯坦的广义相对论就已预言了它的存在。恒星质量黑洞通常只影响离它最近的一两个恒星的行为。而超大质量黑洞的质量至少是太阳质量的100万倍,虽然我们不知道它们是怎么形成的,但它们几乎存在于每个星系的中心,有时拥有改变其所在星系外貌的能量。这种能量使得描绘超大质量黑洞的特性尤为棘手。在一个星系中心区域,恒星、气体和尘埃不断靠近超大质量黑洞,越来越紧密地挤进一个越来越小的空间。这里的温度会不断升高,直到达到一个临界值,把一切事物都撕裂,变成原子、粒子。

当我们发现超大质量黑洞时,看到的并不是黑洞本身,而是轨道碎片(即吸积盘)放射出的热。有些超大质量黑洞吸入的物质比其他黑洞多,同时也比其他黑洞释放出明显更多的光。这些活动星系核是宇宙中最强大、最有能量的存在。它们不仅能释放热,还能以准直喷流形式(垂直于吸积盘,从星系中心喷出)喷射出物质,其规模使得吸积盘乃至星系本身都相形见绌。另外,有的活动星系核还带着尘埃环,形状酷似甜甜圈,和吸积盘在同一平面上,但远比吸积盘大且厚。实际上,这些尘埃环如此之厚,你如果从侧面观察,完全看不到吸积盘,更看不到中心的黑洞。


尽管有活动星系核标准模型(超大质量黑洞被吸积盘包围,吸积盘有喷流向相反方向喷射,吸积盘被尘埃环环绕),但是我们要对其进行细致观察仍然是个挑战。我们看到的光并非总是展示同样的景象:我们时而能看到喷流,时而看不到;有时能看到尘埃环,有时看不到;有时我们看到的光极为集中和明亮,以至于都很难说那里是否有星系。所以,我们根据这些特征,给遥远太空中星系的如活动星系核进行命名,如果其核心的光亮超过了可见光中的所有恒星,就将其称为类星体;如果其星系核发射强红外光,就将其称为赛福特星系(因天文学家卡尔·赛福特于1 9 4 3年首次发现而得名);有些星系的活动星系核与喷流发射出的光主导了射电频谱的活动,就将其称作射电星系。


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如果它们都是由超大质量黑洞作用而成,为什么会形状各异呢?其中一个原因可能是我们的观察角度不同。活动星系核统一理论假定,所有活动星系核都具有同样的基本构成模块(吸积盘、喷流、尘埃环)。我们观察到的活动星系核间的显著差异是由它们在太空中的方位造成的。在宇宙尺度上,从地球观测宇宙的角度只有一个。我们看到星系无序地分布于我们周围,有的侧向,有的正向,呈现出各种角度。但是随着超级计算机的出现,现在我们可以比以前更好地模拟这些星系,随意绕它们飞行,从各个角度欣赏它们的景象。我们可以取一个活动星系核,换一个视角以便从喷流直看下去,看到星系核心,使其像一个耀变体(类似燃烧中的类星体);然后倾斜这个活动星系核直到其喷流与视角呈90度,这时活动的星系核就好像从耀变体变为类星体,最终变为赛福特星系。

然而,活动星系核仍然是天体物理学的一个悬而未决的问题,可能还有其他因素在起作用,比如我们没有完全了解的黑洞周围和黑洞内的物理过程,以及我们还没有想到的测量方法。随着望远镜的不断升级和新信息的不断积累,我们希望将来能看到这些活动星系核的真正样子。否则,我们还会需要更多的名字。



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