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08 黑洞和副產品 Black Holes and Spin-offs

2024-10-02 06:46:46 作者: 戴維·羅瑟里

  黑洞不只是吸收

  如果我們的眼睛可以在射電或者X射線波段觀察天空,就會看到一些星系被巨大的氣球或等離子體波瓣包裹。這些等離子體中含有運動速度接近光速的帶電粒子,發出一定波長範圍內的輻射。其中一些星系(比如「活動星系」)所表現出的等離子波瓣是由噴流所產生的,它們是從黑洞事件視界周圍噴出來的,運動速度快到可以與光速相提並論。羅傑·彭羅斯概括性地指出:理論上,從黑洞的能層中提取自轉能量是可能的。羅傑·布蘭福德(Roger Blandford)和羅曼·扎納克(Roman Znajek)明確提出了將旋轉黑洞中存儲的能量轉移到電場和磁場中的方法,從而為產生相對論性等離子體噴流提供動力。從黑洞附近發出噴流的機制也有其他解釋,這些解釋中哪個才是正確的,正是當前活躍且令人興奮的研究主題。

  最終無論哪種機制被證實,這些噴流都是從黑洞附近(當然是在事件視界外)噴出的高度聚焦且準直的射流。實際上,星系之間的區域並不是真空。與此相反,其中彌散著非常稀薄的被稱為星際介質的氣體。當噴流撞擊星際介質時會形成激波,其內部會發生壯觀的粒子加速,而被黑洞附近噴流所激發的等離子體,其內部也會發生極其劇烈的運動,從而流出當前的激流區域。隨著等離子體膨脹,它會向星際介質傳輸大量能量。這些等離子噴流中,有許多會延伸至數百萬光年外。因此,黑洞對超過事件視界很多光年的宇宙依然有著巨大影響。在本章中,我將描述黑洞對其周圍環境的影響以及與周圍環境的相互作用。

  如第6章所述,在大多數星系的中心(可能)有一個黑洞,物質會被其吸積,從而產生電磁輻射。這樣的星系被稱為活動星系。它們其中一些的吸積過程非常有效,產生的輻射光度極高。這樣的星系被稱為類星體(這個詞源於它們最初被識別為「類似恆星的射電源」,因為它們是遙遠的亮度很高的射電點光源)。我們現在知道,類星體是宇宙中已知的最強大的持續能量釋放場所。類星體輻射的能量跨越整個電磁頻譜,從長波射電波到光學(可見光)波段,再到X射線並繼續向後。上面提到的射電瓣之所以特別引人注目,是因為它們跨越了數十萬光年(見圖19)。射電波段輻射的能量來自那些巨大的波瓣——也就是存有超熱的磁化等離子體的地方,其能量是由空間上長距離傳輸能量的噴流所提供的。高能電子(此處高能是指其傳播速度非常接近光速)在行經等離子體波瓣時會受到來自遍布其中的磁場所施加的垂直於運動方向的力。這種加速使它們發出被稱為同步輻射的光子(可能是射電的,也可能是紅外的;或者在極短的波長下高能的情況,也可能是X射線)。

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  圖19 一個巨大類星體的射電圖像。它的範圍超過100光年

  要了解類星體產生的功率的規模,我們來考慮以下幾個典型情況。我用於工作的LED燈,輸出功率是10瓦。它們由輸出功率高達數十億瓦的本地發電站提供的電能所點亮(10億瓦等於109瓦或1吉瓦)。太陽的輸出功率約為4×1026瓦,是這個發電站功率的10億億倍。我們所在的星系,也就是銀河系包含超過1000億顆恆星,其輸出功率接近1037瓦。但是類星體產生的功率甚至可以比銀河系的輸出功率高100倍以上。請記住,這個功率不是由一個星系或1000億顆恆星發出的,而是由單個黑洞周圍的能量所產生的。這樣的輻射可能會對地球上生物的健康造成極大損害,因此可以說我們非常幸運,因為在距離銀河系很近的地方沒有這樣強大的類星體!

  人們認為類星體中的噴流可以持續10億年或更短時間,這個判斷來自對這些物體噴流的成長速度的估計,以及對它們長大後的尺寸的測量。因此根據距離、時間和速度之間的簡單關係,可以為整個宇宙中類星體中可能觀測到的噴流活動的持續時間提供參考。

  隨著這些射電波瓣的擴張,它們的磁場會減弱,波瓣中各個電子的「內部」能量也隨之減弱。這兩種效應會讓輻射強度隨著時間的推移和到黑洞距離的增加而減小,強度下降的幅度取決於其中高能電子與低能電子的相對數量。同步輻射的一個特性是,磁場強度越弱,所需的產生射電望遠鏡可接收長波的輻射的電子能量就越高。所以當等離子體波瓣擴展到外部空間時,同步輻射也隨之減弱。不僅電子會隨著等離子體的膨脹損失能量,隨著磁場強度的減弱,與被望遠鏡觀測到的現象有關的,只有那些和高能量電子相關的現象,而且通常情況下,這些電子的數量要遠少於低能電子。就類星體的射電波瓣而言,光可以在很短時間內就熄滅。

  不過,這場表演還遠沒有結束,只是奇觀轉移到了另一個波段。一些非比尋常的事情正在發生:波瓣會在X射線波段上亮起來。這是通過被稱為「逆康普頓散射」的過程發生的。當存在足夠大的磁場時,電子會發出同步輻射,從而失去能量。而我們在此處討論的另一種能量損失機制,則是通過這些電子與構成宇宙微波背景輻射(CMB)的光子相互作用發生的,這些光子源於大爆炸殘留的輻射,宇宙目前正沐浴在這種涼爽的微波輝光中。這些電子可能會與CMB中的光子發生碰撞,光子從中獲得比碰撞前高得多的能量,電子則相反(要記住整體的能量是守恆的)。特別令人感興趣的是,當快速運動的電子能量減少到靜止電子能量的1000倍時(此前是靜止電子能量的成百上千倍),恰好可以將CMB光子散射為X射線光子。高能電子與低能光子通過相互作用產生高能光子。這在某種程度上類似斯諾克中的情況,白色母球(想像這是一個電子)與某個紅色的斯諾克球發生碰撞(為了便於說明,請忽略球並沒有以光速運動),而紅色的球從母球那裡獲得了大量能量。儘管(希望如此)紅球最終會落在撞球桌上的一個球袋中,但光子(原本的波長約為1毫米)獲得的能量是碰撞前的100萬倍,因此它的波長也縮短了100萬倍。

  NASA於1999年發射的錢德拉(Chandra)衛星對X射線波段很敏感,並且能夠在X射線波段探測到一對啞鈴形的波瓣,就像射電望遠鏡可以在厘米波段探測到這些雙瓣結構一樣。圖20和21顯示了在射電波段觀察到的雙瓣結構的等高線圖和在X射線波段探測到的雙瓣結構的灰度圖。

  圖20 這個巨大的類星體的範圍達到了50萬光年,並且在電(以等高線顯示)和X射線(以灰度顯示)波段都具有雙瓣結構

  圖21 該類星體在射電波段(等高線圖)上觀測到的雙瓣結構顯示出近期的活動與在X射線能量(灰度,CMB光子的逆康普頓散射所揭示的遺蹟的輻射)下觀測到的雙瓣結構的方向不同,這表明噴流軸可能像微型類星體的噴流軸一樣發生進動

  實際上,如果我們能夠監測這些類星體在整個演化階段的生命周期(這與生物學家觀察青蛙的生命周期類似,從蛙卵到蝌蚪,再到帶有很小的腿的蝌蚪,到尾巴粗短的小青蛙,最後到大青蛙和死青蛙),我們將觀察到雙重結構輻射從射電波段逐漸變為X射線波段。首先,射電結構會逐漸消失,直到無法探測到,然後X射線結構也將逐漸消失,直至無法探測到。當然,如果噴流重新開始——例如黑洞獲得了更多的燃料,那麼噴流將為新的發射射電波的雙瓣提供燃料,然後再為發射X射線的波瓣提供燃料。如圖20和21所示,在某些類星體中,我們可以同時看到射電和X射線的雙重結構,而在另一些類星體中,只能看到射電或X射線其中之一(圖22)。在一些不同尋常的情況下,我們看到了X射線的雙重結構,這與先前的噴流活動相對應,但也有一些角度不同的新射電活動,這是因為反向噴射的噴流方向發生了轉動,也就是產生了進動。這種現象的一個例子如圖21所示。

  圖22 這張X射線圖像,顯示了橫跨這個星系的雙瓣結構它只能在X射線波段被探測到

  許多類星體和射電星系噴流軸的穩定性,揭示了超大質量黑洞自旋的穩定性,這就像陀螺儀一樣。為什麼某些噴流軸會發生進動而另一些則不會,這個問題將在我們發現黑洞附近發射點處控制噴流角動量的因素是什麼時得到解答。究竟是與黑洞本身的自轉軸,還是由分別在第3章和第7章中提到的倫澤-蒂林或巴丁-彼得森效應所決定的吸積盤內部區域的角動量矢量有關,目前尚不清楚。我們需要更多數據才能徹底闡明已觀測到的現象。但是,有一些來自更靠近我們的較小天體的線索可能表明,噴流軸的進動與吸積盤的角動量有關。

  微類星體

  到目前為止,我們一直討論的類星體都是位於活動星系中心的超大質量黑洞。事實證明,還有另一類天體的行為與它們非常相似,但規模小得多。這些質量較小的黑洞可以在離我們更近的地方被觀測到。實際上,它們就位於我們自己的銀河系中,被稱為「微類星體」。儘管大小懸殊,但我們銀河系中的微類星體和其他星系中心的系外類星體一樣,都是具有類似物理性質的等離子噴流源。人們認為兩者都是由受引力作用落向黑洞的物質所驅動。在微類星體中,黑洞的質量與太陽相當。對於強大的系外類星體而言,其黑洞質量可能比我們的太陽的質量大1億倍。就天體物理學家所關心的事情來說,本地事例的一個重要優勢在於其質量較小,因此演化的速度要快得多。它們的演化時標是幾天,而不像類星體那樣要幾百萬年。不過,與類星體一樣,從所有活動中心附近噴出的噴流都是源於事件視界之外的,而且很可能是從吸積盤的最內緣發出的。

  作用於微類星體間的機制非常複雜,而且噴流的發射速度和與其相關的黑洞質量的關係也並不簡單。在監測被稱為天鵝座X-3的黑洞微類星體中的噴流過程時,有時會發現離開黑洞噴流等離子體的速度發生了變化。這是利用延時天文測量法得到的,就是在一段時間進行連續觀測使我們能夠確定等離子體噴流從黑洞附近跑出來時速度有多快。測量結果顯示,某一次噴流的速度是光速的81%,而4年後則是67%。沒有跡象表明噴流速度只會隨著時間推移降低,自從發現這個微類星體以來,快速和慢速的噴流都已經被觀測到很多次。噴流速度的變化似乎也是我們銀河系中另一個著名微類星體SS433的特徵,我將在下面對它進行詳細介紹。這個微類星體中的噴流速度忽快忽慢,實際上,幾天之內它的速度可能是光速的20%~30%之間的任意值。

  對稱之美

  圖23顯示了銀河系中的微類星體SS433的射電圖像,它距離我們只有18 000光年。等離子體噴流的結構投影到我們的天空平面上時,會呈現出醒目的之字形或螺旋形圖案。組成噴流的各個等離子體火球,正分別以某個介於光速20%~30%之間的驚人速度運動。火球運動的方向按照一個固定的周期變化。實際上,噴流的發射軸的進動方式與在皮划艇參考系下看到的運動員划槳方式大致相同,只不過這一過程的時標是6個月而不是幾秒鐘。顯然,至少在某些類星體中(見圖21)也發生了相同的情況,不過如前文所述,它們的速度慢到我們無法對發生的變化進行恰當的時間採樣。

  噴流在天空中呈現之字形還是螺旋形直接取決於火球的物理運動方式,以及進行觀測的具體時間。噴流的一個顯著特徵就是它們的對稱性:東側噴流部分的物理運動與西側噴流部分等大且反向:當一個等離子體火球速度達到光速的28%時,在反向噴流中與之對應的部分速度也是這麼大;而對於以22%的光速運動的另一個等離子火球,其反向噴流中與之對應的部分速度也會和它一樣。實際上,如果一個噴流看起來具有之字形結構,而另一個噴射流看上去則是完全不同的螺旋形結構,這是由於噴流等離子體始終以與光速相當的速度運動,此種情況下會發生相對論性畸變。微類星體的輻射功率相對於系外類星體而言是很小的,但是與太陽微不足道的功率相比仍然非常巨大。太陽的總光度只有4×1026瓦,還不到圖23中的微類星體輻射功率的十萬分之一。

  圖23 微型類星體SS433在射電波段呈現

  噴流的發射

  室女座星系團是由1000多個星系構成的,距銀河系只有5000萬光年。它的中心是一個被稱為M87[梅西耶87的縮寫,列在法國天文學家查爾斯·梅西耶(Charles Messier)製作的星表中]的巨大星系。該星系的核心是一個質量是太陽30億倍的超大質量黑洞。從其中發出的是如圖24所示的非常強的直線噴流。

  圖24 從M 87星系中心的超大質量黑洞,以接近光速噴出等離子體噴流

  這個噴流在光學波段、射電波段和X射線波段都很容易被看到。據認為,落入物質以每年2~3倍太陽質量的吸積率,到達第6章中描述的那種吸積盤正在發揮作用的核心區。這個噴流的發射點可能在吸積盤的最內部,其從發射點向外傳播的速度非常接近光速,因此我們稱之為相對論性噴流。利用我在第7章中介紹過的VLBA儀器進行連續監測,可知噴流速度非常接近光速,而位於地球大氣層之外的哈勃空間望遠鏡和錢德拉X射線衛星,都比其位於地面上時具有更高的靈敏度。在距地球5000萬光年的位置上,以光速運動的物體每年會在天空中移動4毫弧秒。如果我們考慮到一弧只有一度的1/3600弧度,那麼它的四千分之一聽起來會是一個小到幾乎無法測量的角度,但是VLBA儀器能很容易分辨這么小的間隔。VLBA已經對這個噴流底部不到其超大質量黑洞30倍史瓦西半徑的範圍進行了成像。

  圖25顯示了源於M87中超大質量黑洞的相對論性噴流的等離子體射電輻射的波瓣和羽流的示例。

  圖25 源於M87星系中心的超大質量黑洞所發出的相對論噴流的射電輻射波瓣

  為了進一步說明膨脹的波瓣與相對論性噴流有關,圖26展示了一個在天空中延伸了6度的示例,並呈現出了用於觀測的望遠鏡陣列,以便讓人能夠感受其尺度。依拉娜·費恩(Ilana Feain)和她的同事使用的望遠鏡是澳大利亞望遠鏡緻密陣列。

  圖26 月亮和澳大利亞望遠鏡緻密陣列的光學照片與半人馬座A的無線電圖像的合成照片

  相對論性噴流從黑洞附近發射的機制目前還只是推測,還不具有普適性。不過,來自世界各地的不同團隊進行的各項獨立研究中,絕大多數證據表明該理論的基本細節是正確的。除了寬泛的圖像以外,這些機制及其詳細功能還屬於推測,只是在光子不足且具有選擇效應的情況下被耐心檢驗過。證明不屬於科學,但證據屬於科學。我們之所以受到阻礙,是因為即使當今已部署的最先進的成像技術,也無法區分並識別釋放了大部分能量的最小區域,不過,利用功能強大的計算機進行數值模擬,就可以突破當前技術的限制。最新發表的模擬結果表明,吸積盤發出的噴流完全可以由廣義相對論效應進行解釋。這些模擬將組分和公理作為已知輸入,允許噴流和吸積盤演化到其特性可以與最新觀測結果相匹配的尺度。

  那麼,我們現在對宇宙中黑洞的質量有哪些了解呢?看起來它們分為兩個主要的類別。首先是那些質量與恆星類似的黑洞。這些恆星質量黑洞的質量是太陽質量的3~30倍,它們來自燒光了全部燃料的恆星。

  然後就是超大質量黑洞,它們能達到約100億太陽質量。正如我們已經討論過的,它們存在於包括我們自己的銀河系在內的星系中心,並且與活躍星系和類星體的種種奇特現象有關。

  我們已經討論過物體掉入黑洞,但當一個黑洞掉入另一個黑洞時會發生什麼?這不是一個抽象的問題,因為人們已經知道可能存在雙黑洞。在這樣的天體中,兩個黑洞會互相繞轉。人們認為由於發出了引力輻射,雙星中的黑洞將失去能量並以螺旋形向內互相繞轉。在這種螺旋運動的最後階段,廣義相對論會達到臨界點,兩個黑洞突然合併為具有常規事件視界的單個黑洞。在一個雙星系統中,兩個超大質量黑洞合併所產生的能量是驚人的,有可能超過可見宇宙中所有恆星的所有光。它的大部分能量都被注入引力波,這些時空曲率的漣漪會以光速在整個宇宙中傳播。對這種波存在證據的搜尋尚在進行。人們設想,當引力波經過像長杆一樣的物質時,其波長會在時空曲率的漣漪穿過時隨之上下波動。如果可以使用諸如雷射干涉之類的技術來測量這些微小的波長變化,就能得到一種可以探測宇宙中其他地方產生的引力波的方法。目前已經建成,以及更多還在計劃中的地基和天基引力波探測器,都可能探測到來自黑洞合併的信號。實際上,引力波非常難檢測,需要非常強力的能量源才有機會進行此類實驗,而在這些強力源的候選名單中,黑洞併合居於首位。在撰寫本文時,尚未直接檢測到引力波,但實驗仍在進行[1]。

  自1915年愛因斯坦提出廣義相對論以來,我們最好的引力論已接受了無數次考驗。事實證明,與被其替代的牛頓經典理論相比,廣義相對論的實驗具有更好的一致性。但如果要對廣義相對論在極限狀況下進行檢驗,那麼你可以期待黑洞會成為現代物理學這一基石的終極測試地。此種情況下,引力在最小的空間區域中表現得最強,因此量子效應會很重要,而這正是廣義相對論可能會崩潰的地方。不過,廣義相對論也可能在宇宙中的大尺度上失效。當然,目前最熱門的話題是廣義相對論在解釋宇宙最大尺度上的加速膨脹時的完備性。討論廣義相對論的偏差,可能會與加速膨脹和暗能量有關。如果探測到源自黑洞併合的引力波,或觀測結果拓展了我們對發生在這些引人入勝的物體附近的基本物理學的理解,那我們就有機會見證愛因斯坦的理論是能夠經受住檢驗的,還是需要用某些新理論來代替的。

  我們為什麼研究黑洞

  研究黑洞的原因有很多,第一個原因是:它開啟了對物理參數空間的探索,即使是國際財團的預算也無法獨立勝任這一工作。黑洞系統代表了我們所能探索的極端環境,我們能藉此研究極端情況下的物理學。它們將廣義相對論和量子力學結合起來,但統一尚未實現,並且仍是物理學的前沿問題。第二個原因是,試圖理解黑洞現象引起了科學家和許多有思想的外行人的興趣,提供許多人被科學所激發的途徑,鼓動人們去了解我們周圍宇宙的偉大之處。第三個原因也許會令人驚訝,研究黑洞給了塵世一些副產品。對黑洞的研究怎麼可能改變我們的生活?答案是這種事情已經發生了。當我將這本小書的最後幾句話輸入筆記本電腦時,它會同時通過802.11Wi-Fi協議將我的工作備份到我大學的伺服器上。這項複雜而巧妙的技術源於在射電波段尋找爆發黑洞的某個特定特徵時的研究。這項研究由羅恩·埃克斯(Ron Ekers)所領導的團隊完成。他們想要檢驗馬丁·里斯(Martin Rees)(現在是皇家天文學家)提出的模型。在約翰·奧沙利文(John O'Sullivan)的帶領下,來自澳大利亞心靈手巧的無線電工程師發明了一種干擾抑制算法,本來是想將它用於探測來自遙遠空間的微弱信號這一棘手的工作,但他們隨即意識到,這項技術還可以應用於地球上的通信傳輸。因此,黑洞有能力改寫物理學,重新激發我們的想像力,甚至革新我們的技術。黑洞有許多副產品,它們都遠遠超出了其事件視界。

  全書完

  [1] 2016年2月11日雷射干涉引力波天文台(LIGO)、處女座干涉儀(Virgo)研究團隊共同發布結果:於2015年9月14日首次探測到引力波現象。


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