在黑洞边缘挣扎的双恒星

文|天枢

在黑洞边缘挣扎的双恒星

文|天枢

等待宇宙焰火的到来

在科幻小说中，我们常会阅读到一个宇航员坠入黑洞，在黑洞里他将会被拉长，痛苦至极，最后坠入万劫不复的黑洞。然而，这并不仅仅会出现在小说里。在现实中，如果宇宙中的一块气体云也坠入了黑洞，那么它同样将经历小说中坠入黑洞的宇航员所经历的一切。2012年天文学家发现了一块疑似气体云的物质，正在银河系中心的黑洞边缘徘徊。或许这一回，天文家们可以看到坠入黑洞的真实过程了。

在每一个星系的中心，都可能会存在一颗黑洞，它主管着这一星系所有的恒星、星团，让它们全都按照自己的意志运动。在银河系的中心，也存在着这样一颗巨大的黑洞。从地球上望去，这颗黑洞恰巧处在人马座方向，所以也就有了人马座A★这么一个奇怪的名字。这颗黑洞的质量相当于太阳质量的400万倍，它发出强大的引力，任何经过它身边的天体都会被它吞噬。天体被吞噬，这在黑洞周围常常发生，但是我们从来没有机会观测到整个过程。

2012年，天文家们发现了一个即将被人马座A★吞噬的目标——G2，正在黑洞的周围徘徊。G2究竟是什么呢？天文学家也说不清楚，但更可能是块气体云。此前，天文学家已经观测到这块气体云正在被加速撕裂，2013年左右，它被黑洞吞噬。被吞噬的过程会释放出强烈的X射线或者伽马射线，爆发非常剧烈。于是，天文学家们等待着一次宇宙的焰火，准备观看G2被黑洞吞噬的那一刻。

即将被人马座A*吞噬的目标——G2

合并悄悄开始

时间一天天过去，在这一年多的时间里，很多大型望远镜都对准了G2，希望能看到它被吞噬的过程。但让所有人都没有想到的是，这场“吞噬”与“被吞噬”的好戏始终没能上演，那个G2还好端端地待在那里，这到底是怎么回事？

于是，天文学家不得不开始反思。一个天文研究小组提出了一种新的解释，他们认为，这个所谓的G2气体云并不是气体云，而是恒星，只不过在它接近黑洞的时候，被拉长了而已，让我们看起来像是气体云，而且，G2最初是2颗恒星。

这一解释立刻受到了很多天文学家的认可。经过多方面的观测，证实这样的解释是对的。在银河系的中心地带，恒星繁多，而且质量都很巨大，因为小恒星要想在这里生存是很困难的，会很容易被黑洞吞噬掉。另外，这里的恒星还有另一个特点，就是双星很多，这也导致双星合并的事件常常发生。

G2原来是2颗恒星，这2颗恒星在靠近黑洞的时候，悄悄地结合在一起，但这并不是它们自愿的，而是黑洞的强大引力所导致。就像一对苦命的伴侣，在接近黑洞的时候，危险让它们更加相爱，并融合成一颗更加巨大的恒星，来一起抵御黑洞的引力，避免被吞噬的命运。

它们融合成的新恒星是一颗不同寻常的恒星。研究人员认为，这颗恒星的质量是太阳的2倍，虽然质量不大，但是体积却巨大，大概是太阳体积的100倍。这告诉我们，它的密度很小，跟气体差不多。这颗恒星还处在膨胀阶段，这个过程大概需要100万年，然后才能恢复到正常状态，变成一颗真正的恒星。

这是一对苦命的恒星，不知道它们从哪里来，要到哪里去，在经过黑洞附近的时候，黑洞没能吞噬它们，却让它们相互结合，最后组成一颗新的恒星。目前，它们还没有摆脱被黑洞吞噬的厄运。

黑洞谜团

黑洞具有强大引力，宇宙中的恒星、气体和尘埃在经过星系中心时，将沿着螺旋状的轨道沉入其中，形成吸积盘。物质在“塌缩”过程中将变得越来越热，当最终抵达黑洞的事件视界时，其42%的质量已被转化为能量。事件视界即事象地平面，是一种时空的曲隔界线，在事件视界以外的观察者无法利用任何物理方法获得事件视界以内的任何事件的信息，甚至连光都无法逃脱。

黑洞释放能量的形式有热能和光，但更加普遍的形式是由超高速粒子组成的喷流。喷流与吸积盘呈垂直状态，并会同时向正反两个方向喷射，距离可达数千甚至数百万秒差距之远（1秒差距等于3.26光年）。若喷流正对着地球，那么黑洞看上去就像一个类星体；若喷流方向在地球侧方，那么黑洞看上去则像是一片具有一颗活跃星系核的星系；若黑洞周围没有足够物质可供吸收，那么黑洞将会是“隐形”的。

黑洞究竟如何产生并释放出如此庞大的能量呢？一些巡天观测指出，从黑洞喷射出的喷流的能量是其初始能量的3倍。若果真如此的话，这将完全违背能量守恒定律。

磁场影响

为了解开喷流生成之谜，美国加州斯坦福大学物理学家R o g e r Blandford设计出了一个黑洞模型。它的自转速度极快并伴有强力磁场，磁力线能向外延伸到极远的距离，像钢丝一般缠绕在吸积盘上，拖拽着吸积盘上的太空气体沿着漩涡一起转动。尽管人类无法直接观测到具备如此特性的黑洞，但在理论上却是存在的。模拟结果显示：在适当条件下，磁力场能够将黑洞自转能量转化到吸积盘上，从而为喷流提供能量。

2012年，美国宇航局（NASA）发射的核光谱望远镜阵列（NuSTAR）是第一台专门用于黑洞研究的太空望远镜。近期，NuSTAR首次对一个超大质量黑洞进行了精确测量，结果显示，这个超大质量黑洞正以非常快的速度自转。在高自转速度下，被吸入物质与事件视界间的距离将会缩短，逃离黑洞的X射线受强重力影响将产生红移现象，即波长变长，频率降低。

人马座A*

尽管天文学家早就发现这一现象，但他们在那时无法排除这也可能是气体云遮盖吸积盘的结果。而NuSTAR对X射线的敏感度是原先天文望远镜的10倍，能够穿透任何气体云。帕萨迪纳市加州理工学院天文学家、NuSTAR首席科学家Fiona Harrison在发表的一份报告中提到：NuSTAR从距离地球相对较近的螺旋星云NGC 1365内清晰捕捉到X射线的红移现象。

Harrison解释道，黑洞的自转速度如同化石痕迹一般，天文学家能够据此研究它的形成过程。小质量黑洞可经由一颗恒星的塌陷而形成，而超大质量黑洞的质量太大，根本无法依靠单独的恒星形成。若超大质量黑洞是由许多小质量黑洞融合而成，则每一次融合都将促使黑洞朝任意方向自转。经过数百万甚至数十亿年的融合后，发育完全的黑洞的自转速度将趋近于0。若超大质量黑洞是由数个中等质量黑洞组成，其形成过程将会加快，且各个组成部分之间不必非要“决斗”出最后的胜者，因此最终黑洞的自转速度将非常快。