像大多數(shù)星系一樣，銀河系中心也有一個(gè)超大質(zhì)量黑洞，這顆名為人馬座A*的超大黑洞幾十年來一直吸引著天文學(xué)家?，F(xiàn)在，科學(xué)家們正在努力將其直接描繪出來。

要想拍到人馬座A*黑洞的好照片，需要更好地了解它周圍發(fā)生的事情，事實(shí)證明，由于涉及的尺度非常不同，這一點(diǎn)具有挑戰(zhàn)性。加州大學(xué)圣巴巴拉分?？ǚ蚶碚撐锢硌芯克?KITP)的博士后研究員肖恩·雷斯勒說：這是必須克服的最大問題。

研究了人馬座A*黑洞周圍吸積盤的磁性，其研究成果發(fā)表在《天體物理學(xué)》期刊上。在這項(xiàng)研究中，雷斯勒、KITP博士后克里斯·懷特和同事們、加州大學(xué)伯克利分校的艾略特·夸塔特和高級(jí)研究所的詹姆斯·斯通，試圖確定黑洞由墜落物質(zhì)產(chǎn)生的磁場(chǎng)，是否會(huì)積累到短暫中斷這種流動(dòng)的程度，科學(xué)家稱這種情況為磁滯。要回答這個(gè)問題，需要模擬該黑洞系統(tǒng)一直到距離最近的軌道恒星，這個(gè)系統(tǒng)跨越了七個(gè)數(shù)量級(jí)。

黑洞的事件視界，距離其中心大約400萬至800萬英里。與此同時(shí)，這些恒星在20萬億英里外的軌道上運(yùn)行，大約與離太陽最近的比鄰星差不多。所以必須追蹤物質(zhì)從這個(gè)非常大尺度一直到這個(gè)非常小的尺度。而在一次模擬中做到這一點(diǎn)是令人難以置信的挑戰(zhàn)，以至于這是不可能的。最小的事件發(fā)生在秒時(shí)間尺度上，而最大的現(xiàn)象發(fā)生在數(shù)千年的時(shí)間尺度上。研究將以理論為基礎(chǔ)的小規(guī)模模擬與可受實(shí)際觀測(cè)約束的大規(guī)模模擬相結(jié)合。

為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，研究人員在三個(gè)重疊的尺度上在模型之間劃分了任務(wù)。第一次模擬依賴于人馬座A*黑洞周圍恒星的數(shù)據(jù)。幸運(yùn)的是，黑洞活動(dòng)只由大約30顆沃爾夫-瑞葉恒星主導(dǎo)，這些恒星釋放出大量物質(zhì)。其中一顆恒星質(zhì)量損失比同一時(shí)間落入黑洞的物質(zhì)總量還要大。這些恒星在這個(gè)動(dòng)態(tài)階段只度過了大約10萬年，然后過渡到一個(gè)更穩(wěn)定的生命階段。利用觀測(cè)數(shù)據(jù)，研究模擬了這些恒星大約一千年的運(yùn)行軌跡。

事件視界的最邊緣

然后將這些結(jié)果作為模擬中距離的起點(diǎn)，這些距離在較短的時(shí)間尺度上演變。在一次模擬中重復(fù)了這一點(diǎn)，直到事件視界的最邊緣，那里的活動(dòng)發(fā)生在幾秒鐘之內(nèi)。這真是人馬座A*中第一個(gè)最小尺度的吸積模型，考慮到了來自軌道恒星物質(zhì)供應(yīng)的實(shí)際情況，而且這項(xiàng)技術(shù)非常有效，這超出了研究人員的預(yù)期。模擬結(jié)果表明，人馬座A*黑洞可能會(huì)被磁阻住，這讓團(tuán)隊(duì)大吃一驚，因?yàn)殂y河系有一個(gè)相對(duì)安靜的銀河系中心。

通常，磁阻擋黑洞會(huì)有高能射流以相對(duì)論速度射出粒子。但到目前為止，科學(xué)家們幾乎沒有觀測(cè)到人馬座A*黑洞周圍有噴射流的證據(jù)。幫助制造黑洞噴流的另一個(gè)因素是快速旋轉(zhuǎn)，所以這可能告訴我們一些關(guān)于人馬座A*黑洞自旋的信息。不幸的是，黑洞自轉(zhuǎn)很難確定，研究人員將人馬座A*黑洞建模為靜止物體。對(duì)旋轉(zhuǎn)一無所知，有一種可能性是，黑洞實(shí)際上只是沒有旋轉(zhuǎn)或者旋轉(zhuǎn)很慢。研究下一步計(jì)劃模擬一個(gè)旋轉(zhuǎn)的黑洞，這將更具挑戰(zhàn)性。

這立即引入了一系列新的變量，包括相對(duì)于吸積盤的旋轉(zhuǎn)速度、方向和傾斜度。所以將使用來自歐洲南方天文臺(tái)引力干涉儀的數(shù)據(jù)來指導(dǎo)這些參數(shù)。研究小組使用模擬來創(chuàng)建圖像，這些圖像可以與對(duì)黑洞的實(shí)際觀測(cè)進(jìn)行比較。事件視界望遠(yuǎn)鏡合作項(xiàng)目科學(xué)家們已經(jīng)伸出援手，提供模擬數(shù)據(jù)，以補(bǔ)充人馬座A*黑洞照片的努力。事件視界望遠(yuǎn)鏡有效地對(duì)其觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行了時(shí)間平均，從而產(chǎn)生了模糊的圖像。

這將是人馬座A*黑洞第一次在如此大半徑范圍內(nèi)進(jìn)行三維模擬，也是第一次采用直接觀測(cè)沃爾夫-瑞耶星的事件視界尺度模擬。

博科園｜研究/來自：加利福尼亞大學(xué)圣塔芭芭拉分校

研究發(fā)表期刊《天體物理學(xué)》

DOI: 10.3847/2041-8213/ab9532

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