salohcin 2012-11-19 00:06
黑洞吞噬恒星
科學家于2012年5月宣布，觀測到一個黑洞吞噬一顆恒星。這個超大質量黑洞潛伏在距地球27億光年的一個星系的中央，不幸的恒星因太過靠近黑洞，被黑洞的引力之手抓住並撕碎。這也是科學家首次觀察到恒星被以如此方式消滅。
科學家認爲，在大多數星系中心都潛伏有質量爲太陽的數百萬倍乃至數十億倍的超大質量黑洞，這些龐大的“魔獸”守株待兔，直到那些不懷戒心的受害者，例如一顆恒星，遊弋到距離黑洞足夠近的地方，被極其巨大的黑洞引力蹂躏至粉身碎骨。
科學家運用地面和空間望遠鏡觀測到，當這顆恒星被黑洞引力撕裂時，它的部分殘骸墜入黑洞，其余部分則以高速噴射，噴射的氣體中大多數是氦，氫則很少。科學家由此判斷，這顆被“屠宰”的恒星是被剝離了大氣層的、富含氦的恒星核。
這次觀測爲揭示黑洞周圍的嚴酷環境和圍繞黑洞轉的恒星類型提供了線索。科學家相信，這顆恒星的氫包層在很久以前就被黑洞掀走，它在被撕碎之前已到生命末期。在消耗掉自身的大部分氫燃料后，它很可能已膨脹爲一顆紅巨星。它此前有可能一直在高度偏離正圓的軌道上環繞黑洞，其中一次因太靠近黑洞而被剝離掉膨脹的大氣層。恒星殘余繼續在黑洞周圍的行程，直到最終葬身黑洞。科學家預測，在銀河系中也有被剝離了大氣層的恒星在環繞銀心黑洞，但恒星與黑洞之間如此近距離的相遇大約每10萬年才會發生一次。
爲了觀測這次黑洞“謀殺”，科學家監測了幾十萬個星系，目的是找到一次來自于先前處于休眠狀態的星系中央黑洞的紫外光爆發。2010年，他們終于發現了這樣一次閃亮。它在一個半月后才達到亮度最大值，此后一年里亮度逐漸減弱。這次變亮事件很像是超新星的能量爆發，但達到巅峰的步伐慢得多。
科學家推算出這個黑洞的質量是太陽的幾百萬倍，和銀心黑洞的大小差不多。分光鏡觀測顯示，黑洞正在吞噬大量氦。分光鏡把光線分解成彩虹色，從而揭示物體的特征，例如溫度和氣體組成。
發現銀心“魔獸”
在距離地球25000光年多一點點的地方，是宇宙的一塊神秘之地——銀心，即我們所在的銀河系的中心。科學家一直都懷疑，在恒星們相互碰撞、並被塵埃掩蓋的銀心，潛伏著一個具有400萬倍以上太陽質量的超大黑洞，它撕碎恒星，上演著一幕又一幕扭曲時間和空間結構的“宇宙謀殺大戲”。這個魔獸般的黑洞被科學家命名爲“人馬座A*”。盡管科學家相信在每個星系的中央都存在超大質量黑洞，但直到最近，他們才通過觀察銀心附近的恒星，證實了銀心“魔獸”的存在。
然而，最近的觀測結果又帶給我們新的驚奇和疑惑：在銀心這片太空區域，只包含一些年輕的恒星，全然不見較古老的恒星。
對銀心的掃描顯示，那里有數十顆年輕恒星，它們的藍光強度很高，以至于穿透了塵埃的層層包裹。科學家過去認爲，大量的更古老的恒星所發出的微弱光線被年輕恒星的光芒所掩蓋，所以我們能觀察到的恒星不過是恒星世界的“冰山一角”。然而，隨著三組科學家各自獨立使用紅外望遠鏡掃描銀河系，這種看法遭到質疑：科學家觀察到成千上萬顆古老的恒星，但在觀察距離銀心很近的區域時，卻發現恒星的數量驟降，比如在一塊直徑達3光年的太空地帶竟然罕有恒星。
尋找失蹤恒星
這真是一大驚奇，科學家一直認爲“人馬座A*”周圍的引力場很強大，足以在數十億年里牽引很多恒星來到它的附近，但實際上銀心遠沒有那麽多恒星。那麽，這些恒星到哪里去了呢?
最平常的解釋是：即便最先進的紅外望遠鏡的靈敏度也不足以捕捉這些遙遠恒星的弱光。而一種更激動人心的解釋則是：與科學家之前觀測過的其他區域都不同，銀心是由難以看見的超致密天體組成的，例如中子星以及超新星爆發留下的恒星質量的黑洞。如果后一種推測無誤，就暗示形成于銀心的大多數恒星都具有大質量，它們最終都以超新星爆發的形式結束自己的生命。但這種解釋也有問題，主要在于：這些大質量恒星不會孤獨生長，少數不那麽大質量的恒星應該成長于銀心，而這些恒星在生命終期會變成明亮的紅巨星，它們應該很容易被觀測到，可科學家爲什麽沒能看見紅巨星呢?一種奇異的解釋是：這些紅巨星全都被恒星質量的黑洞吃掉了!但這種情形應該也很難出現，因爲如果銀心原本存在100萬個太陽質量的物質，要想把它們全部消滅，就需要更多的恒星質量的黑洞。
于是，有了一個更奇異的解釋：在過去某個時間，銀河系與另一個星系合並，后者自己的超大質量黑洞吞噬了銀河系的一部分恒星。按照這個理論，“人馬座A*”或許應該對它周圍的恒星真空負責——任何迷途走入一個超大質量黑洞周圍約5光分(光在1分鍾內走過的距離稱爲1光分)范圍的天體都會被黑洞撕碎，這可能正是那些失蹤恒星的命運。
獲取直接證據
科學家推測，隨著時間推移，環繞“人馬座A*”的恒星的軌道會變得越來越長、越來越窄，當恒星足夠靠近黑洞時，就會被黑洞吸入。但是，請別忘了，直到現在，科學家對于銀心黑洞的存在也只有間接證據——他們之所以知道銀心潛伏著一頭“魔獸”，是因爲它的巨大引力影響著附近恒星的移動，而這頭“魔獸”的真實身份最有可能就是黑洞。那麽，如何才能獲得直接證據以證明銀心“魔獸”的真實存在呢?科學家必須足夠“靠近”它。
幸運的是，一系列新技術正在讓科學家能夠這樣做。被認爲有潛質的技術是超長基線干涉測量，它把來自于分散在全球的射電望遠鏡的信號集中起來，模擬一部像地球一樣巨大的射電抛物面天線，這部虛擬天線能更好地分辨天體的細節。但是，科學家迄今爲止對“人馬座A*”拍攝的最好的圖像也只能算模糊不清，無法辨識超大質量黑洞的最明顯特征——視界。所謂視界，是指黑洞周圍的一個界限，只要進入了這個界限，包括光線在內的任何物質都會墜入黑洞而無法逃逸。銀心黑洞的視界直徑約爲1500萬千米，這個長度是太陽與地球之間距離的1/10。科學家悲觀地指出，盡管超長基線干涉測量是一種有希望的技術，但它仍不足以清晰描繪銀心視界。
德國和美國各有一組科學家有一種清晰探測“人馬座A*”的方法：觀測環繞這個黑洞的個體恒星。他們一直在觀測在銀心周圍100光日范圍內環繞的20顆超級明亮的恒星，其中一顆被稱爲S2、質量爲太陽的20倍的重量級恒星備受關注。之所以如此，是因爲S2是唯一被觀測到完整環繞銀心的恒星，環繞一次耗時15年(科學家由此計算出銀心超大質量黑洞的質量是太陽的430萬倍，這只比以往的估計值大了一點點)。
科學家希望通過觀察像S2這樣的恒星來提供銀心黑洞存在的直接證據，並由此檢驗有關黑洞的一個最流行理論——無屬性定理。該定理認爲，黑洞在本質上很簡單，僅用其質量以及旋轉方式和速度就足以描述。根據廣義相對論，恒星最接近銀心的位置應該越來越遠離銀心。如果無屬性定理是正確的，那麽這種歲差將只取決于黑洞的質量和旋轉速度，與其他任何因素都無關；而如果能同時跟蹤兩顆恒星，利用兩星的軌道之間的關系來抵消黑洞質量，那麽歲差就只由黑洞的旋轉速度來決定了。如果最終發現歲差依賴其他更複雜的因素，那麽無屬性定理就是錯的。
科學家還希望從事意義更加深遠的工作：測試愛因斯坦的引力理論——廣義相對論。對于已被探測過的行星、恒星和星系而言，廣義相對論都輕易通過。但在黑洞的極端引力場中(時間和空間在這里被扭曲到極端程度)，相對論還未被檢查過。科學家希望通過觀測物質究竟是怎樣墜入黑洞的，最終查明黑洞的特性是否符合廣義相對論的描述。
有望揭示真相
測試相對論的另一種方法是使用脈沖星。脈沖星是超新星爆發的超致密殘余，它們的轉速極快，每轉一圈都以無線電波的“燈塔光柱”形式掃掠太空。這讓脈沖星成爲絕妙的計時器。如果銀心存在脈沖星，科學家或許就能捕捉到另一個相對論效應——引力時間膨脹，即時間在一個大質量物體周圍扭曲的時－空中變慢。如果觀察到這個現象，就是大質量黑洞存在的證據。
脈沖星本質上相當微弱，在塵埃籠罩的銀心探察脈沖星可謂困難重重，但科學家已開始努力探察銀河系中的所有脈沖星，他們也對在銀心附近探察到脈沖星抱有希望。
迄今爲止，廣義相對淪仍未面臨威脅。S2是迄今唯一已知軌道距離“人馬座A*”在1光日以內的恒星。要想真正探測這個超大質量黑洞周圍的時－空，就需要觀測多得多的如此靠近銀心的恒星。
爲實現這個目標，科學家正在升級雙10米口徑“凱克”望遠鏡(位于美國夏威夷)的紅外干涉儀。與此同時，他們還在建造一部叫做“引力”的儀器，它將合並由“特大望遠鏡”(位于智利帕拉納)的四部望遠鏡收集的近紅外光，以前所未有的高分辨率測量微弱天體。科學家希望，“引力”將讓他們能觀測在僅幾倍于黑洞視界直徑的范圍內運行的恒星。預計“引力”將在2013年投入運作。
數十億年來，銀河系一直在隱藏自己的最大秘密。再等幾年吧，那時科學家可能就會最終揭示銀心超大質量黑洞的真相。