美天文學家揭開黑洞克服離心力吞噬氣體之謎

北京時間3月5日消息，據《連線》雜誌報導，位於大多數星系中心地帶的超大質量黑洞會將周圍氣體完全吞噬。超大質量黑洞是如何做到這一點的呢？科學家長期以來對此大惑不解。現在，藉助電腦模型，美國天文學家對整個過程有了更為深入的了解。

在最新研究中，兩位美國天文學家詳細說明了恆星如何將氣體引向星系中心，距離黑洞足夠的近，最終令黑洞將其吞噬的過程。雖然超大質量黑洞對其周圍物質具有強大的控制力，但天文學家並不確定這些天體物理學「猛獸」是如何成功吞噬它們從宿主星系吸收的大量氣體。

一個關鍵問題在於，圍繞黑洞快速旋轉的氣體擁有巨大的角動量，進而產生一種離心力(centrifugal force)，放緩或阻止物質滑向深淵。通常情況下，黑洞會輕易吞噬距星系中心不足三分之一光年的氣體，因為黑洞自身磁場的作用就像制動器一樣，會減緩氣體的迴轉運動，令其墜入深淵。

在更遠的距離下，比如距星系中心30光年至300光年，由於一個星系同其他星系碰撞產生的擾動，以及星系內部物質引力的相互作用，會驅使氣體向位於星系中心地帶的黑洞方向活動。但是，這仍然會在距星系中心1光年至30光年遠的中間距離留下一個臨界間隙，在這一區域內，任何物質看上去都無法使氣體的迴轉運動和離心力降至足以令黑洞將其吞噬的程度。

美國加州大學伯克利分校天文學家菲利普-霍普金斯和艾略特-奎塔特(Eliot Quataert)製作的電腦模型此時就能發揮作用了。二人的電腦模擬結果顯示，在距超大質量黑洞的中間距離，氣體和恆星形成兩個相互獨立、傾向一側的圓盤，而圓盤偏離黑洞中心地帶。霍普金斯和奎塔特2月5日在刊登於物理學網站arXiv.org上的論文中稱，這兩個圓盤相互傾斜，使得恆星可以對氣體產生拖拽，減緩氣體的迴轉運動，令其離黑洞更近。

最新研究工作純粹是理論。但是，霍普金斯和奎塔特指出，觀測者已經發現了多個已知擁有超大質量黑洞的星系中心具有傾向一側的圓盤的證據，特別是銀河系的姐妹星系——仙女星系。圓盤由年代久遠的恆星構成。過去十多年，仙女星系偏離中心的特徵一直令天文學家們大惑不解。

霍普金斯和奎塔特的最新研究表明，這些年代久遠、偏離中心的圓盤是由電腦模型生成的恆星圓盤的產物。在形成初期，這些圓盤幫助驅使氣體向黑洞方面活動。美國國家光學天文臺(NOAO)科學家託德-勞爾(Tod Lauer)表示：「最新研究很有趣，因為它以更為常見的機制解釋了這種恆星圓盤，這一結果具有更深遠的意義，如為超大黑洞活動提供燃料。」

他還指出，「這項研究令人感興趣的一點是，它將大型黑洞的能量學和燃料供應機制同小型黑洞統一起來了。」偏離星系中心的恆星圓盤之所以難以觀測到，是因為它們距離超大質量黑洞產生的璀璨焰火相對較近。霍普金斯表示，探測此類恆星圓盤可能會成為在迄今未發現超大質量黑洞的星系中尋找這種黑洞「巨無霸」的新方法。