Question

剖析银河系中心的超大黑洞，天文学家接近“事件视界”的最边缘

Answer 1

像大多数星系一样，银河系中心也有一个超大质量黑洞，这颗名为人马座A*的超大黑洞几十年来一直吸引着天文学家。现在，科学家们正在努力将其直接描绘出来。要想拍到人马座A*黑洞的好照片，需要更好地了解它周围发生的事情，事实证明，由于涉及的尺度非常不同，这一点具有挑战性。加州大学圣巴巴拉分校卡夫利理论物理研究所(KITP)的博士后研究员肖恩·雷斯勒说：这是必须克服的最大问题。

研究了人马座A*黑洞周围吸积盘的磁性，其研究成果发表在《天体物理学》期刊上。在这项研究中，雷斯勒、KITP博士后克里斯·怀特和同事们、加州大学伯克利分校的艾略特·夸塔特和高级研究所的詹姆斯·斯通，试图确定黑洞由坠落物质产生的磁场，是否会积累到短暂中断这种流动的程度，科学家称这种情况为磁滞。要回答这个问题，需要模拟该黑洞系统一直到距离最近的轨道恒星，这个系统跨越了七个数量级。

黑洞的事件视界，距离其中心大约400万至800万英里。与此同时，这些恒星在20万亿英里外的轨道上运行，大约与离太阳最近的比邻星差不多。所以必须追踪物质从这个非常大尺度一直到这个非常小的尺度。而在一次模拟中做到这一点是令人难以置信的挑战，以至于这是不可能的。最小的事件发生在秒时间尺度上，而最大的现象发生在数千年的时间尺度上。研究将以理论为基础的小规模模拟与可受实际观测约束的大规模模拟相结合。

为了实现这一点，研究人员在三个重叠的尺度上在模型之间划分了任务。第一次模拟依赖于人马座A*黑洞周围恒星的数据。幸运的是，黑洞活动只由大约30颗沃尔夫-瑞叶恒星主导，这些恒星释放出大量物质。其中一颗恒星质量损失比同一时间落入黑洞的物质总量还要大。这些恒星在这个动态阶段只度过了大约10万年，然后过渡到一个更稳定的生命阶段。利用观测数据，研究模拟了这些恒星大约一千年的运行轨迹。

然后将这些结果作为模拟中距离的起点，这些距离在较短的时间尺度上演变。在一次模拟中重复了这一点，直到事件视界的最边缘，那里的活动发生在几秒钟之内。这真是人马座A*中第一个最小尺度的吸积模型，考虑到了来自轨道恒星物质供应的实际情况，而且这项技术非常有效，这超出了研究人员的预期。模拟结果表明，人马座A*黑洞可能会被磁阻住，这让团队大吃一惊，因为银河系有一个相对安静的银河系中心。

通常，磁阻挡黑洞会有高能射流以相对论速度射出粒子。但到目前为止，科学家们几乎没有观测到人马座A*黑洞周围有喷射流的证据。帮助制造黑洞喷流的另一个因素是快速旋转，所以这可能告诉我们一些关于人马座A*黑洞自旋的信息。不幸的是，黑洞自转很难确定，研究人员将人马座A*黑洞建模为静止物体。对旋转一无所知，有一种可能性是，黑洞实际上只是没有旋转或者旋转很慢。研究下一步计划模拟一个旋转的黑洞，这将更具挑战性。

这立即引入了一系列新的变量，包括相对于吸积盘的旋转速度、方向和倾斜度。所以将使用来自欧洲南方天文台引力干涉仪的数据来指导这些参数。研究小组使用模拟来创建图像，这些图像可以与对黑洞的实际观测进行比较。事件视界望远镜合作项目科学家们已经伸出援手，提供模拟数据，以补充人马座A*黑洞照片的努力。事件视界望远镜有效地对其观测结果进行了时间平均，从而产生了模糊的图像。

这将是人马座A*黑洞第一次在如此大半径范围内进行三维模拟，也是第一次采用直接观测沃尔夫-瑞耶星的事件视界尺度模拟。