天文学家测量黑洞加速周围粒子的时间：一眨眼就能点亮黑洞喷流

alayavijnana 2017-11-07

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虽然黑洞的引力吞噬了大部分物质，但其中也有一些物质以喷射流的形式向外发射。粒子所覆盖的从喷射的地方到粒子被点亮发光之间的区域叫做“加速区”。

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黑洞本身是不可见的，但是它们周围的区域并非如此。这些黑洞被一个吸积盘包围，这个吸积盘在电磁频谱上明亮地闪耀着。许多黑洞会产生喷射流，在物质落入黑洞之前，会从黑洞的两极喷射出物质粒子束。这些喷流背后的物理现象已经困扰了天文学家几十年，但现在我们距离理解它们是如何形成并“亮起来”的更近了一步。

研究的突破是通过对两个黑洞系统的观测实现的。观测是由NASA的核光谱望远镜阵列空间望远镜（观测X射线）与位于西班牙拉帕尔马的威廉赫歇尔天文台的ULTRACAM（观测可见光）完成的。当粒子得到足以使它们加速并发出可见光的能量后，天文学家可以通过望远镜观测到喷流中的发光粒子。天文学家通过同时在X射线波段与可见光波段观测黑洞，得以测量上述粒子加速所花费的时间（与叫做“加速区”的距离），并比较不同黑洞之间的差异可以为研究喷流怎样形与喷流中的粒子如何运动提供有价值的信息。

在研究中，天文学家对准了两个黑洞系统：天鹅座V404与GX 339-4.它们分别被归类为X射线双星，由一个黑洞与一个普通恒星组成。黑洞将物质从恒星中拽出来，然后这些物质补充到黑洞的吸积盘与喷流。其中之一，GX 339-4是一个较小的系统，由一个太阳质量大小6倍大的黑洞与一个质量相近的恒星组成。V404由一个12倍太阳质量的黑洞与恒星组成。

这个系统不仅在大小上不一样，并在观测中也表现出了不同的活动模式。黑洞通常会经历一些不稳定的爆发，通常以来自吸积盘的物质在掉入黑洞前突然闪亮的形式爆发。在观测过程中，GX 339-4非常暗淡并且不活跃，与此同时天鹅座V404正在发生在X射线波段的本世纪最亮的X射线双星爆发。这种截然不同的两种状况有利于在两个系统间做比较，来看看是否“加速区”的大小是否与譬如系统的大小或它当前活动的因素有所关联。

为了测量“加速区”，天文学家比较了核光谱望远镜阵列空间望远镜从系统中拍摄到X射线与ULTRACAM观测到可见光的时间。做这样一个测量是极度困难的，因为者需要协调环绕地球轨道上的望远镜与地面上的望远镜。这个观测只有在天鹅座V404于2015年6月只持续一个小时的爆发时才有机会做到，好在时间已经足够长来让我们获得需要的数据。

在两个系统中，观测到X射线与可见光的时差大约为0.1秒，比我们眨眼的时间还要短。但即是是这样一个微小的时差，也意味着粒子以光速移动了大约3万千米——相当于加速区的大小。以地球为参考，这个距离约是地球距离的三倍。（*译者注：发射出X射线的时间是粒子进入吸积盘附近的时间，而当它们在加速区被加速发出闪光的时候天文学家们就可以观测到可见光。它们间的时差就是粒子从吸积盘到喷流闪光区域也就是经过加速区所花的时间，乘以光速便是加速区的距离）

黑洞喷流闪光

这个动画描述了天鹅座V 404系统。可以看到伴星的物质流到黑洞的吸积盘中。吸积盘随着伴星的物质的流动开始闪烁。一些粒子在喷流中被加速到足够的能量也开始闪烁，所以看起来会有一些延迟。

这样一个微小的距离隐藏着黑洞喷流的信息与它的动态特性的重要线索，尤其是在这两个系统中加速区距离是相同的这个信息。

在一份新闻通讯中，英国南安普敦大学的作者甘地说道：“一种可能性是喷流的物理特性不取决于吸积盘的大小，而是取决于喷流低端粒子的速度、温度以及其他属性。”

原因可能也与将加速区的大小与黑洞质量联系起来的理论一致。在类似于蝎虎座BL（2亿被太阳质量的黑洞）这样的超大型黑洞中，观测到的时间延迟是研究中两个较小的黑洞的数百万倍。

甘地说：“我们很兴奋，应为这看起来似乎我们已经找到了一个与喷流内部活动机制有关的特征。这个特征不止可以描述是像天鹅座V 404这样的恒星质量的黑洞，也包括了那些特大质量黑洞。

现在，天文学家正在寻找新的目标来测量更多黑洞系统的时间延迟。来看看是否加速区的大小是不是始终与黑洞的质量有关，并且在未来进一步完善关于黑洞喷流的形成与活动的理论。