旋轉黑洞將接近光速的等離子云噴射到太空中！

2020-10-18 博科園


天文學家發現，一個距離地球近8000光年黑洞噴射出快速擺動的噴流。2019年4月29日發表在《自然》期刊上的研究表明，天鵝座V404黑洞噴射流在如此短的時間尺度內表現出前所未有的行為，將接近光速的等離子云噴射到太空中！這些噴流似乎在高速旋轉的等離子體雲中以不同方向從黑洞中噴射出來。來自國際射電天文學研究中心(ICRAR)科廷大學的詹姆斯·米勒-瓊斯副教授說：黑洞是宇宙中最極端的物體之一， 這是我見過最不尋常的黑洞系統之一。

就像許多黑洞一樣，它以附近的恆星為食，將氣體從恆星中抽離，形成一個物質盤，環繞著黑洞，在重力作用下向黑洞螺旋運動。天鵝座V404黑洞的不同之處在於，我們認為物質盤和黑洞沒有對齊。這似乎導致了盤的內部像一個旋轉的頂部一樣搖擺，當它改變方向時，會向不同的方向噴射出等離子。天鵝座V404在1989年首次被確認為一個黑洞，當時它釋放了大量的噴流和輻射。天文學家在觀察檔案攝影底片時發現，在1938年和1956年的觀測中，曾出現過爆發現象。

  • 對V404天鵝座不斷變化射流方向的構造藝術印象圖，每個部分(由時鐘指針分開)顯示了不同時間的噴流，朝向不同的方向，就像我們在高角解析度無線電成像中看到的那樣。圖片：ICRAR

當V404天鵝座在2015年經歷了另一次非常明亮的爆發，持續了兩周，世界各地的望遠鏡都在關注發生了什麼，各地天文臺都用他們能用的任何望遠鏡來捕捉這次爆發，所以有這個驚人的觀測範圍。當米勒-瓊斯副教授和團隊研究黑洞時，他們看到它的噴射流以一種前所未有的方式運動。通常認為噴流是從黑洞的兩極直接射出，這些噴流在不同的時間向不同方向射出，很快就改變了方向——不超過兩個小時。

  • 這是近距離看到天鵝座V404黑洞的概念圖，雙星系統由軌道上的一顆普通恆星和一個黑洞組成。恆星物質落向黑洞，並在吸積盤中向內螺旋運動，強大噴流從靠近黑洞的內部區域噴射出來。圖片：ICRAR

噴射流運動的變化是由於吸積盤的作用，吸積盤是圍繞黑洞旋轉的物質盤。天鵝座V404黑洞的吸積盤有1000萬公裡寬，內部的幾千公裡在明亮的爆發過程中膨脹和搖晃，吸積盤的內部正在進動，有效地推動著噴射流。可以把它想像成陀螺在減速時的擺動——只是在這種情況下，擺動是由愛因斯坦的廣義相對論引起。這項研究使用了超長基線陣列(Very Long Baseline Array)的觀測數據。超長基線陣列是一個大陸大小的射電望遠鏡，由橫跨美國的10個碟形天線組成，從加勒比海的維京群島(Virgin Islands)到夏威夷(Hawaii)。

  • 這是對天鵝座V404黑洞噴射的印象圖，通過射電望遠鏡，我們看到了從最內部區域噴射出來的單個明亮等離子云，它們被膨脹的內部吸積盤重新定向。圖片：ICRAR

合著者亞歷克斯·特塔倫科(Alex tetarenko)是阿爾伯塔大學(University of Alberta)的一名博士研究生，目前在夏威夷工作，是東亞天文臺的一名研究員。通常，射電望遠鏡在幾個小時的觀測後只能產生一張圖像，但是這些噴氣機變化如此之快，在一張四小時的圖像中我們只能看到模糊的部分。這就像試圖以一秒的快門速度拍攝瀑布。相反，研究人員製作了103張獨立的圖像，每張約70秒長，並將它們組合成一部電影。

  • 旋轉黑洞周圍扭曲時空的印象圖，黑洞密度如此之大，以至於它在時空結構中產生了一個「斷裂」，在這裡可以看到中心無限深的井。當黑洞旋轉時，它會將時空拖拽，從而產生如圖所示的時空網格的扭曲。這導致內部膨脹的吸積盤進動。圖片：ICRAR

只有這樣，才能在很短的時間內看到這些變化，該研究的共同作者、ICRAR的科廷大學節點的傑瑪·安德森博士說：宇宙中其他極端事件也可能發生內部吸積盤的擺動。在任何時候，當黑洞的自旋與落入其中的物質之間出現偏差時，當黑洞開始以非常快的速度進食時，就會出現這種情況。這可能包括宇宙中一系列其他明亮的、爆炸性的事件，比如超大質量的黑洞進食速度非常快，或者當一個黑洞撕碎一顆恆星時，會發生潮汐幹擾事件。

博科園-科學科普｜研究/來自: 國際射電天文研究中心（ICRAR）

參考期刊文獻:《自然》

DOI: 10.1038/s41586-019-1152-0

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