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美天文学家揭开黑洞克服离心力吞噬气体之谜

2010-03-05
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美天文学家揭开黑洞克服离心力吞噬气体之谜
2010年03月05日 新浪科技

黑洞克服离心力吞噬气体之谜


黑洞,借助电脑模型,美国天文学家对整个过程有了更为深入的了解
  新浪科技讯 北京时间3月5日消息,据《连线》杂志报道,位于大多数星系中心地带的超大质量黑洞会将周围气体完全吞噬。超大质量黑洞是如何做到这一点的呢?科学家长期以来对此大惑不解。现在,借助电脑模型,美国天文学家对整个过程有了更为深入的了解。

  在最新研究中,两位美国天文学家详细说明了恒星如何将气体引向星系中心,距离黑洞足够的近,最终令黑洞将其吞噬的过程。虽然超大质量黑洞对其周围物质具有强大的控制力,但天文学家并不确定这些天体物理学“猛兽”是如何成功吞噬它们从宿主星系吸收的大量气体。

  一个关键问题在于,围绕黑洞快速旋转的气体拥有巨大的角动量,进而产生一种离心力(centrifugal force),放缓或阻止物质滑向深渊。通常情况下,黑洞会轻易吞噬距星系中心不足三分之一光年的气体,因为黑洞自身磁场的作用就像制动器一样,会减缓气体的回转运动,令其坠入深渊。

  在更远的距离下,比如距星系中心30光年至300光年,由于一个星系同其他星系碰撞产生的扰动,以及星系内部物质引力的相互作用,会驱使气体向位于星系中心地带的黑洞方向活动。但是,这仍然会在距星系中心1光年至30光年远的中间距离留下一个临界间隙,在这一区域内,任何物质看上去都无法使气体的回转运动和离心力降至足以令黑洞将其吞噬的程度。

  美国加州大学伯克利分校天文学家菲利普-霍普金斯和艾略特-奎塔特(Eliot Quataert)制作的电脑模型此时就能发挥作用了。二人的电脑模拟结果显示,在距超大质量黑洞的中间距离,气体和恒星形成两个相互独立、倾向一侧的圆盘,而圆盘偏离黑洞中心地带。霍普金斯和奎塔特2月5日在刊登于物理学网站arXiv.org上的论文中称,这两个圆盘相互倾斜,使得恒星可以对气体产生拖拽,减缓气体的回转运动,令其离黑洞更近。

  最新研究工作纯粹是理论。但是,霍普金斯和奎塔特指出,观测者已经发现了多个已知拥有超大质量黑洞的星系中心具有倾向一侧的圆盘的证据,特别是银河系的姐妹星系——仙女星系。圆盘由年代久远的恒星构成。过去十多年,仙女星系偏离中心的特征一直令天文学家们大惑不解。

  霍普金斯和奎塔特的最新研究表明,这些年代久远、偏离中心的圆盘是由电脑模型生成的恒星圆盘的产物。在形成初期,这些圆盘帮助驱使气体向黑洞方面活动。美国国家光学天文台(NOAO)科学家托德-劳尔(Tod Lauer)表示:“最新研究很有趣,因为它以更为常见的机制解释了这种恒星圆盘,这一结果具有更深远的意义,如为超大黑洞活动提供燃料。”

  他还指出,“这项研究令人感兴趣的一点是,它将大型黑洞的能量学和燃料供应机制同小型黑洞统一起来了。”偏离星系中心的恒星圆盘之所以难以观测到,是因为它们距离超大质量黑洞产生的璀璨焰火相对较近。霍普金斯表示,探测此类恒星圆盘可能会成为在迄今未发现超大质量黑洞的星系中寻找这种黑洞“巨无霸”的新方法。(孝文)

天文学家发现600万光年外最远距离黑洞

2010年02月02日新浪科技

NGC 300螺旋星系中新发现的恒星质量大小黑洞的艺术效果图。
  新浪科技讯 北京时间2月2日消息,据美国《每日科学》网站报道,欧洲天文学家近日利用欧洲南方天文台甚大望远镜在NGC 300螺旋星系中发现了一个恒星质量大小的黑洞。这个新发现的黑洞与地球的距离大约为600万光年,比此前已知的任何黑洞都要远得多。它的质量超过太阳质量的15倍,因此它也是迄今发现的所有恒星质量大小的黑洞中质量高居第二位的黑洞。目前,这个黑洞正与一颗即将成为黑洞的沃尔夫-拉叶星缠绕在一起运行。

  据天文学家介绍,在银河系中所发现的恒星质量大小的黑洞质量至多为太阳的10倍左右,这一质量已经不能看作是轻量级了。但是,在银河系之外,这种质量则只能算是小儿科。天文学家近日发现的这个银河系外恒星质量大小的黑洞至少比太阳重15倍。它也是迄今所发现的仅有的三个类似天体之一。

  这个新发现的黑洞位于NGC 300螺旋星系之中,距离地球大约600万光年。英国谢菲尔德大学天体物理学教授保罗-克劳特尔介绍说,“这是迄今发现的最远距离恒星质量大小黑洞,这也是在本星系群之外首次发现黑洞。”克劳特尔教授是这项研究的主要负责人和论文的第一作者。

  天文学家还发现,这个黑洞正缠绕着一颗奇怪的伴星共同运行。这颗伴星是一颗沃尔夫-拉叶星,质量相当于太阳质量的20倍。沃尔夫-拉叶星生命即将结束,并将以超新星形式爆炸。在爆炸前,它正向外部空间喷射出大部分外层物质,而它的内核也会爆聚从而形成黑洞。

  2007年,美国宇航局“雨燕”天文台X射线观测仪对NGC 300螺旋星系明亮的X射线源的周围环境进行了详细探测。欧洲航天局此前已利用XMM-Newton X射线天文望远镜发现了NGC 300螺旋星系。来自欧洲航天局的项目组成员斯蒂法尼亚-卡尔帕诺介绍说,“当时我定期对这种极端强烈的X射线进行了记录。经研究发现,这种现象是该区域存在一个黑洞的线索。”

  根据欧洲南方天文台甚大望远镜的最新观测数据,天文学家证实了此前的预感和推测。新的观测数据表明,这个黑洞和这颗沃尔夫-拉叶星正周期性地在恶魔圆舞曲中大跳华尔兹,一个周期大约为32小时。此外,天文学家还发现,黑洞在与沃尔夫-拉叶星相互缠绕运行的同时,还不断从伴星身上吸取物质。研究小组成员罗宾-巴尔纳德解释说,“这事实上是一对非常亲密的伴侣。这样一个如此紧密的联合系统是如何形成的,至今仍是个谜。”

  此前,天文学家也只发现过一个类似的系统。但是,这并不代表天文学家对这种由黑洞和伴星组成的系统一无所知。根据这些系统,天文学家研究了黑洞质量与星系化学组成之间的联系。克劳特尔介绍说,“我们注意到,最大质量黑洞大都发现于较小的星系中,而且这些星系通常含有较少的重化学元素。而较大的星系,如银河系,则富含重元素。但是,这些较大星系反而产生较小质量的黑洞。”因此,天文学家认为,重化学元素的浓度越高,就越会影响大质量恒星的进化,恒星释放的物质也就越多。当恒星残留物最终崩塌时,也就形成了质量较小的黑洞。

  不到100万年后,这颗沃尔夫-拉叶星就会形成超新星爆炸,最终也会变成一个黑洞。克劳特尔认为,“如果这个系统能够在沃尔夫-拉叶星爆炸后仍然存在,那么这两个黑洞就会合并,并以引力波的形式释放出大量的能量。”然而,这一过程可能要持续数十亿年才可实现两个黑洞的真正合并,这一时间也远比人类的生存历史长得多。克劳特尔解释说,“不管如何,我们的研究旨在证明这些系统的存在。利用引力波探测器,如激光干涉引力波天文台或激光干涉引力波探测站,也可对那些已经演化成形的双子黑洞进行研究。”(彬彬)
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