黑洞真的“贪婪”吗？
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作者：中国科学院上海天文台
发布于：2024-02-20
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- 黑洞经常被认为是“贪婪”的代名词，凡是靠近它的都会被它吞噬掉。但是，这是真的吗？我们是不是误解了黑洞？天文学家们正经对待这个问题，进行了一系列探索，最新的进展如何，让我们一探究竟。
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- 黑洞的“吸积”与“外流”
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- 宇宙中几乎所有的星系中心都存在一个超大质量黑洞。黑洞有一个球形的势力范围，黑洞就坐落在这个势力范围的中心。在这个势力范围内，黑洞的引力控制着一切。这个势力范围尺度比黑洞本身的尺度（黑洞的引力半径）大5到6个数量级。
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- 星系里面的气体进入黑洞的势力范围后，会在黑洞引力的作用下落入黑洞视界。气体向黑洞下落过程中形成的气体流被称为吸积流。根据吸积流的温度可以将吸积流分成“冷”、“热”两种。宇宙中大部分黑洞周围的吸积流都是热吸积流。
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- 图1 黑洞的艺术家想象图（图片制作：上海天文台，背景图片来源于NASA/JPL-Caltech和Misti Mountain Observatory）
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- 二十几年前，黑洞吸积领域普遍认为，进入黑洞势力范围的气体最终都会进入黑洞视界。然而，1999年美国普林斯顿大学的一个研究团队却发现，当吸积流处于“热”吸积模式时，进入黑洞势力范围的绝大部分气体都不会落入黑洞。这完全颠覆了该领域的共识！中科院上海天文台袁峰研究员领导的课题组于10年前的研究发现，当吸积流处于”热“模式时，进入黑洞引力范围的绝大部分气体会变成外流，流出黑洞的势力范围，回到黑洞所处的星系中。
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- 虽然理论上“热”吸积流会产生外流，然而，观测上却一直没有热吸积流外流存在的直接证据。
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- 从黑洞吸积流和外流辐射出的光子去寻找答案
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- 黑洞的吸积流都是高温带电的电离气体，可以辐射出光子。科学家一般通过黑洞吸积流辐射的光子来研究吸积流的性质。黑洞吸积流大部分的辐射来自于非常靠近黑洞的地方（10个引力半径附近）。这些黑洞附近产生的光子会向外移动。黑洞的外流产生于距离黑洞较远的地方（几十个引力半径以外）。
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- 黑洞辐射的光子和黑洞外流都在远离黑洞运动。虽然黑洞外流产生在距离黑洞更远的地方，但由于其运动速度远小于光速，外流往往会被吸积流辐射的光子追上。光子在穿过外流时，其中的一部分会被外流吸收。因此，在黑洞的辐射光谱上会产生“吸收线”。同样，外流气体向外运动的过程中也会辐射一定频率的光子，产生“发射线”。“发射线”和“吸收线”的强度都取决于气体的密度。
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- 由于热吸积流外流的密度极低，无论是发射线还是吸收线都较弱，很难被直接观测到。在我们观测黑洞的视线上，挡在黑洞前面的外流，朝着观测者运动；在黑洞另一侧的外流在远离观测者运动。由于多普勒效应，朝向我们运动的外流所产生的吸收线是蓝移的；而发射线既有（远离我们运动的外流产生的）红移成分，也有（朝着我们运动的外流产生的）蓝移成分。
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- 首次发现热吸积流存在外流的直接观测证据，验证理论预言
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- 近日，由南京大学的李志远教授领导的课题组分析了一个典型的存在热吸积流的黑洞——M81*的高分辨率X射线光谱（如图2所示），他们发现铁元素的Kα发射线存在红移和蓝移特征。结果表明，这些发射线是从径向速度约每秒3000千米的气体中发出来的，而且这些气体的温度为12千电子伏特（约相当于1.2亿开尔文）。
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- 图2 观测到的铁的蓝移、红移发射线，及其与基于模拟数据计算得到的理论谱线的对比，表明数值模拟结果与观测非常吻合。（取自Shi et al. 2021, Nature Astronomy）
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- 为理解这些观测结果，由上海天文台的袁峰研究员领导的课题组对M81*的热吸积流的外流进行了磁流体动力学数值模拟，并计算出吸积流外流产生的发射线性质，发现与观测结果非常吻合。
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- 这一结果证明M81*中的确存在很强的外流，首次发现了热吸积流存在外流的直接观测证据，验证了热吸积流理论的预言。这有助于天文学界更好地理解黑洞的吸积过程、黑洞与星系的共同演化等重要科学问题。
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- 论文连接：https://www.nature.com/articles/s41550-021-01394-0
