美国国家航空航天局望远镜发现银河系超大质量黑洞的“宇宙烟火”和微弱回声

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一张显示X射线耀斑的银河系心脏图像。（图片来源：美国航空航天局/喷气推进实验室加州理工学院）

据美国太空网（Robert Lea）：天文学家发现了来自银河系中心超大质量黑洞人马座A*（Sgr A*）的耀斑和回声。这些“宇宙烟火”和X射线回波可以帮助科学家更好地了解我们银河系所围绕的黑暗而安静的宇宙巨星。

密歇根州立大学的研究人员团队在梳理美国国家航空航天局核光谱望远镜阵列（NuSTAR）望远镜数十年的数据时做出了这一突破性发现。自2012年7月以来，NuSTAR一直在用X射线观测宇宙，该团队发现了来自Sgr A*的九个大型耀斑。天文学家此前曾错过这些信号。

“我们坐在前排，在我们银河系的中心观察这些独特的宇宙烟花，”团队负责人、密歇根州立大学物理与天文系助理教授Sho Zhang在一份声明中说。“照明弹和烟花都照亮了黑暗，帮助我们观察通常无法观察到的东西。

“这就是为什么天文学家需要知道这些耀斑发生的时间和地点，这样他们才能利用这些光研究黑洞的环境。”

点亮射手座A*就像七月四日

像Sgr A*这样的超大质量黑洞被认为存在于所有大星系的中心。像所有黑洞一样，质量相当于数百万，有时是数十亿太阳的超大质量黑洞被一个称为视界的外部边界所包围。这标志着黑洞的引力影响变得如此强烈，甚至光的速度都不足以与它的逃逸速度相匹配。

这意味着视界充当了一个单向的光捕获表面，在它之外是看不见的。因此，黑洞实际上是不可见的，只有通过它们对周围物质的影响才能检测到——在超大质量黑洞的情况下，这可能是灾难性的。

这些宇宙巨星中的一些被它们赖以生存的大量普通物质所包围；另一些人则对那些冒险离事件视界太近的恒星津津乐道。这些恒星在成为晚餐之前会被黑洞的巨大引力影响撕裂。

然而，在这两种情况下，黑洞周围的最终物质都会形成一个扁平的云，或“吸积盘”，黑洞位于其中心。由于黑洞强烈的潮汐力产生的湍流和摩擦，这个圆盘在电磁波谱上发出强烈的光芒。



一个正在进食的超大质量黑洞的解剖结构显示了其发光的吸积盘和强大的喷流（图片来源：美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心概念图像实验室）

然而，并不是吸积盘中的所有物质都被输送到中心超大质量黑洞。一些带电粒子被引导到黑洞的两极，在那里它们以近光速喷流的形式喷出，并伴随着明亮的电磁辐射。

因此，这些贪婪的超大质量黑洞位于被称为活动星系核（AGN）的区域，为如此明亮的类星体提供动力，它们可以超过周围星系中每颗恒星的组合光。

此外，并不是所有的超大质量黑洞都位于AGN中，并充当类星体的中心引擎。有些恒星周围没有丰富的气体、尘埃或距离太近的不幸恒星。这也意味着它们不会发出强大的光爆发，也没有发光的吸积盘，这使得它们更难被探测到。

Sgr A*的质量相当于大约450万个太阳，恰好是这些安静、不贪婪的黑洞之一。事实上，银河系中心的宇宙巨人消耗的物质如此之少，相当于人类每一百万年左右只吃一粒米。

然而，当Sgr A*中士确实吃了一点零食时，会伴随着微弱的X射线闪光。这正是该团队在NuSTAR从2015年到2024年收集的10年数据中开始寻找的。



银河系中心的超大质量黑洞Sgr A*首次在偏振光中出现。（图片来源：EHT Collaboration）

密歇根州立大学的格雷斯·桑格·约翰逊专注于高能光的剧烈爆发进行分析，这为研究黑洞周围的直接环境提供了一个独特的机会。结果，她发现了九个极端耀斑的例子。

桑格·约翰逊说：“我们希望通过建立Sgr A*耀斑的数据库，我们和其他天文学家能够分析这些X射线耀斑的性质，并推断出超大质量黑洞极端环境中的物理条件。”。

与此同时，她的同事Jack Uteg也来自密歇根州立大学，他正在寻找A中士周围更模糊、更微妙的东西。

黑洞在Sgr A*周围回响

Uteg使用类似于听回声的技术来检查Sgr A*的有限活动。根据近20年的数据，他瞄准了Sgr a*附近一个被称为“桥梁”的巨大分子云

因为像这样在恒星之间漂移的气体和尘埃云不会像恒星本身那样产生X射线，当天文学家检测到这些来自桥的高能光发射时，他们知道它们一定来自另一个来源，然后被这个分子云反射。

Uteg解释道：“我们看到的亮度很可能是过去A*中士X射线爆发的延迟反射。”。“我们在2008年左右首次观测到光度的增加。然后，在接下来的12年里，来自大桥的X射线信号继续增加，直到2020年达到峰值亮度。”

从桥上反射出来的光从A*中士到桥上花了数百年的时间，然后又花了26000年的时间到达地球。这意味着通过分析这一X射线回波，Uteg已经能够开始重建我们超大质量黑洞最近的宇宙历史。

Uteg说：“我们关心这片云越来越亮的主要原因之一是，它让我们可以限制过去Sgr A*爆发的亮度。”。这表明，大约200年前，Sgr A*在X射线中的亮度是今天的10万倍左右。

张说：“这是我们首次为超大质量黑洞周围的分子云构建了一个长达24年的可变性，该分子云的X射线光度已达到峰值。”。“它使我们能够讲述大约200年前A*中士过去的活动。

“我们密歇根州立大学的研究团队将继续这场‘天体考古游戏’，以进一步解开银河系中心的奥秘。”

该团队将试图回答的一个谜题是，鉴于Sgr A*的饮食稀少，其引发X射线耀斑的确切机制是什么。研究人员相信，这些发现将导致其他团队的进一步调查，推测这些结果有可能彻底改变我们对超大质量黑洞及其环境的理解。

该团队在周二（6月11日）举行的美国天文学会第244次会议上介绍了他们的发现。