翘速前进：天文学家解释银河系中心黑洞弯曲时空的方式

翘速前进：天文学家解释银河系中心黑洞弯曲时空的方式 这幅艺术家绘制的插图显示了银河系中心超大质量黑洞和周围物质的横截面。中心的黑色球体代表黑洞的事件穹界，也就是不归点，任何东西，甚至光，都无法从这里逃逸。从侧面看旋转的黑洞，如图所示，周围的时空形状就像一个美式足球。两侧的黄橙色物质代表围绕黑洞旋转的气体。这些物质不可避免地向黑洞坠落，一旦落入足球形状的内部，就会穿过事件穹界。因此，足球形状内、事件视界外的区域被描绘成一个空腔。蓝色圆球表示从旋转黑洞两极射出的喷流。图片来源：NASA/CXC/M.Weiss天文学家称这个巨大的黑洞为人马座 A*（简称 Sgr A*），它距离地球约 26000 光年，位于银河系的中心。黑洞有两个基本特性：质量（重量）和自旋（旋转速度）。确定这两个值中的任何一个，都能让科学家们对任何黑洞及其行为方式了如指掌。自旋测量技术一个研究小组采用了一种新方法，利用 X 射线和无线电数据，根据物质流向和流出黑洞的方式来确定 Sgr A* 的旋转速度。他们发现Sgr A*的旋转角速度即每秒的旋转圈数约为最大可能值的60%，而这是由于物质的运动速度无法超过光速而设定的极限。过去，不同的天文学家使用不同的技术对Sgr A*的旋转速度进行了其他一些估计，结果从Sgr A*完全不旋转到几乎以最大速度旋转不等。新研究的第一作者、宾夕法尼亚州立大学的露丝-戴利（Ruth Daly）说："我们的工作可能有助于解决银河系超大质量黑洞的旋转速度问题。结果表明，Sgr A* 的旋转速度非常快，这很有趣，而且影响深远。"人马座 A* 及其周围区域的钱德拉 X 射线图像。资料来源：NASA/CXC/威斯康星大学/Y.Bai, et al.快速旋转的影响旋转的黑洞在旋转时会拉动"时空"（时间和三维空间的组合）和附近的物质。旋转黑洞周围的时空也会被压扁。从顶部俯视黑洞，沿着黑洞产生的任何喷流桶，时空都是一个圆形。然而，从侧面看旋转的黑洞，时空的形状就像一个足球。旋转速度越快，足球就越扁平。黑洞的自旋可以作为一种重要的能量来源。旋转的超大质量黑洞在提取其自旋能量时会产生准直外流，即狭窄的物质束，如喷流，这就要求黑洞附近至少有一些物质。由于 Sgr A* 周围的燃料有限，这个黑洞近千年来一直相对安静，喷流也相对较弱。然而，这项研究表明，如果斯格拉A*附近的物质数量增加，这种情况可能会改变。人马座 A* 的未来"旋转的黑洞就像发射台上的火箭，"来自加拿大温尼伯马尼托巴大学的合著者宾尼-塞巴斯蒂安说。"一旦物质足够接近，就好像有人给火箭加满了燃料，然后按下了'发射'按钮"。这意味着，将来如果黑洞附近物质的性质和磁场强度发生变化，黑洞自旋的巨大能量的一部分可能会驱动更强大的外流。这种源物质可能来自气体，也可能来自被黑洞引力撕裂的恒星残骸，如果该恒星游荡得离斯格拉A*太近的话。来自密歇根州立大学的合著者梅根-多纳休（Megan Donahue）说："一个星系旋转的中心黑洞所产生的喷流会深刻影响整个星系的气体供应，从而影响恒星形成的速度，甚至影响恒星是否能够形成。在银河系黑洞周围的X射线和伽马射线中看到的'费米气泡'表明，黑洞在过去可能是活跃的。测量我们黑洞的自旋是对这种情况的重要检验。"为了确定 Sgr A* 的自旋，作者使用了一种基于经验的理论方法，即"外流法"，该方法详细说明了黑洞的自旋与其质量、黑洞附近物质的特性以及外流特性之间的关系。准直外流产生无线电波，而黑洞周围的气体盘则产生 X 射线辐射。利用这种方法，研究人员将钱德拉和 VLA 的数据与其他望远镜对黑洞质量的独立估计结合起来，对黑洞的自旋进行了约束。合著者之一、加拿大蒙特利尔麦吉尔大学的 Anan Lu 说："我们对 Sgr A* 有特殊的看法，因为它是离我们最近的超大质量黑洞。虽然它现在很安静，但我们的工作表明，未来它将对周围的物质产生无比强大的冲击力。这可能发生在一千年或一百万年后，也可能发生在我们有生之年。"银河系中心的超大质量黑洞正在飞速旋转，以至于它把周围的时空扭曲成一个看起来像美式足球的形状。这一结果是利用美国宇航局钱德拉 X 射线天文台（太空中的 X 射线望远镜）和美国国家科学基金会甚大阵列（位于新墨西哥州的射电望远镜阵列）的数据得出的。资料来源：NASA/CXC/A.霍巴特描述这些结果的论文由露丝-戴利（Ruth Daly）领衔撰写，发表在 2024 年 1 月出版的《英国皇家天文学会月刊》（Monthly Notices of the Royal Astronomical Society）上。 ... PC版： 手机版：

韦伯望远镜的"红外之眼"以生动的细节揭示黑洞奥秘

韦伯望远镜的"红外之眼"以生动的细节揭示黑洞奥秘 这幅詹姆斯-韦伯太空望远镜拍摄的类星体 RX J1131-1231 的图像突出显示了引力透镜的作用，它放大了类星体，从而可以对其特性和周围的暗物质进行详细研究。X 射线辐射表明黑洞正在快速旋转，很可能是由于星系合并造成的。资料来源：ESA/Webb、NASA & CSA、A. Nierenberg它被认为是迄今为止发现的透镜效果最好的类星体之一，因为前景星系将背景类星体的图像涂抹成了一个明亮的弧形，并形成了该天体的四幅图像。引力透镜最早是由爱因斯坦预测的，它提供了一个难得的机会来研究遥远类星体中靠近黑洞的区域，它就像一个天然望远镜，可以放大这些光源发出的光。宇宙中的所有物质都会扭曲自身周围的空间，质量越大，产生的影响就越大。在质量非常大的天体（如星系）周围，经过附近的光线会沿着这种扭曲的空间移动，看起来会明显偏离原来的轨迹。引力透镜的后果之一是它可以放大遥远的天体，让天文学家研究那些原本过于暗淡或遥远的天体。詹姆斯-韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope）拍摄到了位于 60 亿光年之外的类星体 RX J1131-1231 的图像，展示了引力透镜的效果，将遥远的类星体放大成一个明亮的弧线和多幅图像。图片来源：ESA/Webb、NASA & CSA、A. Nierenberg对类星体发出的 X 射线进行测量，可以显示中心黑洞的旋转速度，这为研究人员提供了有关黑洞如何随时间增长的重要线索。例如，如果黑洞主要是通过星系间的碰撞和合并成长起来的，那么它应该在一个稳定的圆盘中积累物质，而来自圆盘的新物质的稳定供应应该会导致黑洞快速旋转。另一方面，如果黑洞是通过许多小的吸积事件成长起来的，它就会从随机的方向积累物质。观测结果表明，这个特殊类星体中的黑洞旋转速度超过光速的一半，这表明这个黑洞是通过合并而生长的，而不是从不同方向吸积物质。这张照片是用韦伯望远镜的中红外成像仪（MIRI）拍摄的，是暗物质研究观测计划的一部分。暗物质是一种看不见的物质，占宇宙质量的大部分。韦伯望远镜对类星体的观测使天文学家能够以前所未有的小尺度探测暗物质的性质。编译自/ScitechDaily ... PC版： 手机版：

事件视界望远镜(EHT)公布银河系中心黑洞新照片 展示银心黑洞强大的旋转磁场

事件视界望远镜(EHT)公布银河系中心黑洞新照片 展示银心黑洞强大的旋转磁场 2021 年该科学团队最终发布了银心黑洞即人马座 A* 的照片，为我们展示我们所在的银河系的中央这颗比较安静的黑洞照片。不过彼时这些黑洞的照片相对来说都比较模糊，像是一个马赛克版甜甜圈，但随着科学团队改进观测方法更清晰的偏振光版黑洞照片发布，首先被发布的依然是 M87 * 黑洞，今天研究人员发布了两篇新论文展示银心黑洞的偏振光版。在这个新照片中我们可以清晰看到黑洞周围吸积盘的样子，吸积盘的光线 (包括可见光和不可见光) 主要是物质在跌落到黑洞时速度逐渐增加，并跟着旋转的黑洞一起沿着螺旋路径跌入，在跌入过程中物质之间高速摩擦、碰撞并转换为热能以及光线。其中亮度越高的区域代表物质密度更集中并且碰撞更剧烈，不过理论上说所有靠近黑洞的物质最终都会被强大的潮汐力撕扯为碎片甚至原子级别，所以黑洞的事件视界周围是难以看到完整物体的。下图是人马座 A* 的最新照片：下图是 M87* 和人马座 A* 的对比： ... PC版： 手机版：

实验室中的量子氦龙卷风模拟了黑洞扭曲的时空

实验室中的量子氦龙卷风模拟了黑洞扭曲的时空 于是，来自诺丁汉大学（UN）、伦敦国王学院和纽卡斯尔大学的研究人员转而研究流体中的漩涡，因为流体中的漩涡在某种程度上可以模拟太空中物质围绕黑洞旋转的方式。特别是，他们决定看看是否能改进联合国黑洞实验室之前发明的一种方法，即在一个特殊设计的水槽中的旋涡可以揭示黑洞周围发生的一种已知的特殊现象，即超光度（superradiance）。(您可以在以下联合国视频中观看该实验）。在这个实验中，他们使用了冷至冰冷的-271 °C（-456 °F）的超流体氦。超流体是一种粘度接近零的流体。诺丁汉大学数学科学学院的帕特里克-斯万卡拉（Patrik Svancara）是这项研究的第一作者，他介绍说："由于超流体氦的粘度极小，我们能够细致地研究它们与超流体龙卷风的相互作用，并将研究结果与我们自己的理论预测进行比较。"在超流体氦被冷却到的温度下，它开始表现出量子特性，这可能导致它变得不稳定。不过，一个定制的腔室让研究小组得以控制住流体，减轻了量子效应。斯万卡拉说："超流体氦含有被称为量子漩涡的微小物体，它们往往会相互扩散。在我们的装置中，我们成功地将数万个这样的量子限制在一个类似小型龙卷风的紧凑物体中，实现了量子流体领域中强度破纪录的涡流。"通过测量这种超冷超流体表面的波动力学，研究小组得出结论，该系统模仿了与旋转黑洞附近相同的引力条件。希望这一装置能帮助研究小组进一步深入了解黑洞，尽管不断有发现，但黑洞对天体物理学家来说仍有许多谜团。"早在2017年，当我们在最初的模拟实验中首次观测到黑洞物理的清晰特征时，这对于理解一些奇异现象来说是一个突破性的时刻，而这些现象往往是具有挑战性的，甚至是不可能研究的，"黑洞实验室的工作负责人西尔克-魏因富特纳（Silke Weinfurtner）说。"现在，通过更复杂的实验，我们将这项研究提升到了一个新的水平，最终可以预测量子场在天体物理黑洞周围的弯曲时空中的行为方式。"这项研究发表在《自然》杂志上。 ... PC版： 手机版：

欧空局XMM-牛顿号天文望远镜探测到黑洞风阻碍了恒星的形成

欧空局XMM-牛顿号天文望远镜探测到黑洞风阻碍了恒星的形成 这幅艺术家的作品展示了从马卡里安 817 星系中心喷出的超高速风。这些风以每小时数百万公里的速度从广阔的太空区域中清除星际气体。没有了这些气体，星系就无法形成新的恒星，星系中心的黑洞也就没有什么可吃的了。图片来源：欧空局每个大星系的中心都有一个超大质量黑洞，它巨大的引力从周围吸入气体。当气体向内盘旋时，会在黑洞周围形成一个扁平的"吸积盘"，并在那里发热和发光。随着时间的推移，最靠近黑洞的气体越过了不归点，被吞噬殆尽。然而，黑洞只会吞噬一部分向其旋转的气体。在环绕黑洞的过程中，一些物质会被甩回太空，就像一个蹒跚学步的孩子会把盘子里的东西打翻一样。在更戏剧性的情况下，黑洞会把整个餐桌掀翻：吸积盘中的气体以极快的速度向四面八方飞散，以至于周围的星际气体都被清空了。这不仅剥夺了黑洞的食物，还意味着在大片区域内无法形成新的恒星，从而改变了星系的结构。耀眼的蓝色恒星环绕着这个螺旋星系明亮、活跃的核心。它被称为马卡里安 817，位于 4.3 亿光年外的天龙座北部。在远离中心的地方，这个星系显示出强烈的恒星形成区，以及沿着旋臂的星际尘埃暗带。银河系中心的怪兽黑洞的质量是太阳的 4000 万倍。它被一个巨大的物质圆盘包围着，超大质量黑洞正以每小时数百万公里的速度向太空喷射物质。这可以从银河系中心闪耀的明亮白光中看到。这张 NASA/ESA 哈勃太空望远镜图片是 2009 年 8 月 2 日用广角相机 3 拍摄的。图片来源：NASA、ESA 和哈勃 SM4 ERO 小组前所未有的观察在此之前，这种超快的"黑洞风"只在极其明亮的吸积盘中被探测到，因为吸积盘吸积物质的能力已经达到极限。这一次，XMM-牛顿在一个非常普通的星系中探测到了超快的风，可以说它"只是在吃零食"。"如果把风扇开到最大，你可能会预料到风速会非常快。在我们研究的这个名为马尔卡里安817的星系中，风扇的功率设置较低，但仍然产生了能量惊人的风。"本科生研究员米兰达-扎克（密歇根大学）指出，她在这项研究中发挥了核心作用。"观测到超高速风是非常罕见的，而探测到具有足够能量来改变其宿主星系特征的风就更少见了。马尔卡里安817在并不特别活跃的情况下，产生这些风的时间长达一年左右，这一事实表明，黑洞对其宿主星系的重塑可能远远超出人们的想象，"合著者、意大利罗马特雷大学天文学家埃利亚斯-卡蒙（Elias Kammoun）补充说。XMM-牛顿（X-射线多镜任务）太空望远镜的艺术效果图。图片来源：D. Ducros; ESA/XMM-Newton, CC BY-SA 3.0 IGO被风阻挡的 X 射线活跃的星系中心会发出包括 X 射线在内的高能量光线。马卡里安 817 让研究人员眼前一亮，因为它变得异常安静。米兰达利用美国宇航局的斯威夫特天文台观测了这个星系："X射线信号如此微弱，以至于我确信自己做错了什么！"利用欧空局更灵敏的X射线望远镜XMM-牛顿进行的后续观测揭示了真实情况：来自吸积盘的超高速风就像一块裹尸布，挡住了从黑洞周围（称为日冕）发出的X射线。这些测量结果得到了美国宇航局NuSTAR望远镜观测结果的支持。对 X 射线测量结果的详细分析显示，马尔卡里安 817 的中心并没有发出一"股"气体，而是在吸积盘的广大区域内产生了一股狂风。这股风暴持续了数百天，至少由三种不同的成分组成，每种成分的运动速度都是光速的几分之一。这幅艺术家的作品展示了从马卡里安 817 星系中心喷出的超高速风。这些风以每小时数百万公里的速度从广阔的太空区域中清除星际气体。没有了这些气体，星系就无法形成新的恒星，星系中心的黑洞也就没有什么可吃的了。插图显示了银河系中心的情况。一个超大质量黑洞从周围吸入气体，形成一个炙热、明亮的"吸积盘"（橙色）。造成风（白色）的原因是圆盘内的磁场，它以难以置信的高速将粒子抛向四面八方。这些风有效地阻挡了黑洞周围极热等离子体（称为日冕）发出的 X 射线（蓝色）。这解决了我们在理解黑洞和黑洞周围星系如何相互影响方面的一个未解之谜。包括银河系在内的许多星系，其中心周围似乎都有大片区域，但在这些区域中却很少有新恒星形成。这可以用黑洞风清除恒星形成气体来解释，但这只有在黑洞风的速度足够快、持续时间足够长，并且是由具有典型活动水平的黑洞产生的情况下才可行。"黑洞研究中的许多悬而未决的问题都需要通过长时间的观测来捕捉重要事件。这凸显了XMM-牛顿任务对未来的极端重要性。"欧空局XMM-牛顿项目科学家诺伯特-沙特尔（Norbert Schartel）说："没有其他任务能够将高灵敏度和长时间、不间断观测的能力结合起来。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

天文学家实时观测黑洞的苏醒

天文学家实时观测黑洞的苏醒 2019 年末，此前不显眼的室女座星系 SDSS1335+0728 突然变得明亮许多。天文学家随后利用太空和地面望远镜跟踪了其亮度变化。根据发表在《Astronomy & Astrophysics》期刊上的研究，天文学家认为我们正在实时目睹一个超大质量黑洞的苏醒。超新星爆发等天文现象会让星系变得明亮，但通常只会持续几十天，最多数百天，而 SDSS1335+0728 的变亮持续至今，已有四年多时间，还在越来越亮。该星系距离地球 3 亿光年，2019 年 12 月加州 Zwicky Transient Facility 天文台观测到了它突然变亮，后续观测发现其中红外波长亮度增加了一倍，紫外线亮度增加了四倍，X 射线范围亮度至少增加 10 倍。变亮原因被认为是“活跃星系核”的形成，即星系中心的巨大黑洞在消耗周围的物质。 via Solidot