给黑洞称“重”

作者:杜璞来源:蝌蚪五线谱发布时间:2018-02-28

北京青年优秀科技论文一等奖相关科普文章

你是否经常管不住自己的嘴,只能默默站上体重计看着恐怖的数字惊声尖叫呢?又或者好不容易想起来要出去锻炼,跑完步面红耳赤结果发现体重计上的数字压根没变小?在生活中人有多重只要站上体重计就知道,再大一点的大象或者小汽车也能用地磅来称重,可是你知道怎么给黑洞来称“重”么?而且是给宇宙中最巨大的“超大质量黑洞”称“重”?

当然黑洞是没有“重量”这一概念的,人在地球上受到地球的引力作用才产生重量,而用来描述黑洞的是“质量”。在宇宙中,黑洞质量有多大,就能够产生多强的引力。比如月亮质量小,就得绕着地球转;而太阳质量更大,所以地球又只能乖乖绕着太阳运动;太阳又带着太阳系里的行星一起绕着银河系中心缓慢地转圈。而更厉害的是,宇宙里据估计有着数量超过万亿个星系,每一个星系中心都存在着超大质量黑洞。这些黑洞的质量动辄数百万倍于太阳,大的甚至能超过1亿倍!他们可以轻而易举得将周围的物质吞噬殆尽,别说小小地球上的我们人类了,就连太阳在它们面前也根本不值一提。

大家肯定要问了,这些黑洞这么遥远,那么这些数字都是怎么测量出来的呢?

给黑洞测质量---其实只需要一台望远镜!

阿基米德说“给我一个支点,我能够撬动地球!”,天文学家说给我一台望远镜我就能告诉你黑洞质量有多大!小到天空中无数眨着眼睛的恒星、大到各式各样形态不一的星系,天文学家总会找到办法告诉大家它们有多“胖”。

其实很多星系中心的黑洞并没有普通人想象中的那么“黑”,它们在吞噬周围物质的同时会发出非常耀眼的光芒(图1)。周围这些被黑洞引力抓过来的物质在彻底掉进去之前会碰来碰去、相互摩擦,就像大家天冷会搓手一样,这些物质会越“搓”越热,温度高到一定程度就会开始发光。由于这些星系中心的黑洞正在狼吞虎咽得吃着周围的东西,看起来很亮,有些甚至比周围整个星系中的几千亿颗恒星加起来都亮,所以天文学家给这些星系的核心区域起名叫“活动星系核”。

1

图 1 黑洞吞噬周围物质产生辐射的想象图

这些活动星系核中心的超大质量黑洞周围有一些围绕它们运动的由氢原子、氢离子和电子等组成的云块(图2)。黑洞吞噬周围物质所发出的光照亮这些云块后,天文学家就能够在望远镜拍摄到的光谱上看到这些云块“反射”过来的信号---光谱中的发射线(图2)。

天文学家并不会真的拿着秤去“称”这些黑洞的质量,而是通过观测黑洞在吞噬物质时亮度的变化,以及光谱上相应发射线的变化(见图2右下角),就能够知道这些云块到中心黑洞的距离、运动速度等信息。然后根据大家在中学物理里学到的万有引力原理,天文学家就可以计算得到中心黑洞的质量。天文学家其实不用动手,而是通过大型的望远镜“看”,来“称”出这些黑洞的质量。

2

图 2 黑洞周围云块想象图(素材修改自互联网)和辐射过程的简单示意图

“看”似易,实则难

说起来容易做起来可就困难了。由于是用望远镜观测这些遥远星系中心的黑洞周围辐射的变化,要对目标反复进行观测,而这些黑洞变化又特别缓慢,短的需要观测几十天,长的甚至得持续几百天。天文学家需要长期坚守在天文台黑白颠倒地工作。而许多望远镜所在的天文台又在海拔比较高的地区,比如我国的中科院云南天文台丽江观测站,海拔就超过3200米。在这样高海拔的地区连续通宵熬夜观测,不光需要有良好健康的体魄,还得有坚韧不拔的意志。而且,这些黑洞的变化往往又特别小,如果测量精度不够高,无法得到可靠的测量结果。

来自我国的黑洞“量体师”

超大质量黑洞作为宇宙里最引人关注的天体之一,一直吸引着国内外无数天文学家的孜孜不倦的研究。而黑洞的质量就像是知识大厦底部的根基,只有首先把根基了解清楚,才能在之上继续修建坚实的楼层。所以国际上有许多团队都在致力于这方面的工作。

我国就有这样一个团队,团队成员是来自中科院高能物理研究所、中科院云南天文台、北京大学、中国科学技术大学、南京大学、南京师范大学等多家国内研究机构和大学超过20名天文学家和研究生,以及2名来自以色列的著名天文学家。在王建民和白金明研究员的领导下,受到国家自然科学基金委员会和中国科学院的大力支持,他们正投身于测量活动星系核中心的黑洞质量,致力将黑洞质量测量的精度提高到前所未有的地步。他们有着一个更加雄心勃勃的计划:实现中国天文学家自己提出的利用黑洞作为新工具,丈量宇宙几何,翻开宇宙膨胀的早期历史。

从2012年起,团队里的观测组成员(包括高能所、云南天文台和中科大的研究人员与博士生共超过10人)就定期轮流驻守在云南天文台丽江观测站,利用那里的2.4米望远镜进行观测,短的时候连续待上2、3个月,长的时候一待就是8、9个月。来自高能所的副研究员杜璞就是这观测团队中的一员。冬天夜晚里的天文台一片寂静,只有点亮着的电脑屏幕上的数字和时不时传来的望远镜转动的声音能够不断提醒着他时间的流动,而这些专注的天文学家心里却似乎只听得见那仿佛一个个光子打在望远镜面“砰砰”的声响。

长期通宵工作的艰辛并没有阻挡他们的研究脚步,虽然之前没有此类观测的经验,但杜璞与同为团队成员的高能所副研究员胡晨等一起从头摸索出了从观测、流量定标到测量分析等一整套工具和技术,通过采用同时观测目标源与作为流量标准的基准恒星的方法,使得测量精度做到了国际上同类型观测的最高水平(1~2%)。到2017年底的5年中,除去下雨的日子,观测组成员轮流在丽江一共观测了超过1200个夜晚,测量了30多个黑洞的质量。而此前的30多年时间里,由于这种观测的难度大(时间和人力),国际上同类型的测量一共也只完成了40个黑洞。他们不但将活动星系核中黑洞质量测量的数量扩大了接近一倍,还发现了一个非常有趣的新现象。

有些黑洞没那么大!

星系中心这些吃着周围物质的黑洞,就像人一样,有的吃饭快,一会儿就吃了好多(天文上称为“高吸积率的”),有的吃的慢,半天都吃不了多少(“普通吸积率的”)。此前国际上同类型的观测项目都集中在观测普通吸积率的超大质量黑洞,这些黑洞周围辐射随时间变化的幅度比较大,观测起来相对容易。而这些吸积率很高的特殊黑洞变化幅度极为微弱,正是由于杜璞等团队成员的努力,使测量精度足够高(1~2%),才能够测量出这些黑洞的质量。杜璞等人发现,这些高吸积率活动星系核发射线变化相对于黑洞吞噬物质所产生辐射变化的时间延迟特别短(见图2右上角示意图),这意味着他们的个头(质量)比原先天文学家猜测要小很多,甚至能够小10倍!而且这些狼吞虎咽的黑洞由于吃的太快,周围物质里产生的光子还来不及逃出来就和这些物质一起掉落进黑洞里了,所以相对同样质量的那些吸积率较低的黑洞,他们显得相对没那么亮(这一效应被称作光子囚禁效应)!这一结果一下就引起大家的关注,因为这说明天文学家之前许多对于黑洞的理解和基于黑洞质量的猜测都是不对的!特别是对于早期宇宙中普遍存在的高吸积率黑洞的研究结果需要作出相应的修正。比如天文学家在遥远的早期宇宙中看到的那些黑洞,其实质量都比猜测的小很多,甚至小10倍!这会导致对于黑洞成长和演化的理解都需要跟着变化。

这一有深远意义的发现以《Supermassive Black Holes with High Accretion Rates in Active Galactic Nuclei. IV. Hβ Time Lags and Implications for Super-Eddington Accretion》(高吸积率活动星系核中的超大质量黑洞IV:Hβ发射线的时间延迟以及对超爱丁顿吸积的意义)为题,发表在了天体物理领域的国际著名期刊《The Astrophysical Journal》(天体物理杂志)上。这一论文后经北京市天文学会的推荐参加北京市科协举办的第十四届北京青年优秀科技论文评选,荣获一等奖。

来自国际上的支持

科学上,每前进小小的一个脚步都需要很多科学家共同努力去推动。2017年底,国际上非常著名的斯隆数字巡天项目的黑洞监测子项目公布了他们第一年的观测结果,这一子项目由美国伊利诺伊香槟分校、宾州州立大学、加州理工大学等多家机构组成的,他们也发现在观测目标中存在相似的现象,支持了国内团队的观测结果。这些来自国际同行的关注和支持,无疑增进了团队成员的信心,也激发了大家更加向前迈进的干劲。

向着更遥远的宇宙迈进

近些年对天体目标进行长时间观测的时域天文逐渐开始兴起,整个合作团队的观测规模也在不断扩大,除了丽江2.4米望远镜之外,还通过国际合作的方式获得了西班牙卡拉阿托(Calar Alto)天文台的2.2米望远镜和美国怀俄明大学2.3米望远镜的观测时间,使得观测效率大大增加。团队将继续在超大质量黑洞领域开展研究工作,期待进一步得到更多重要的新发现。

黑洞的背后隐藏着宇宙形成与演化的终极奥秘,弄清这些必将为人类的知识宝库添加浓墨重彩的一笔。


扫码加蝌蚪五线谱微信