黑洞的模樣

姜德杰

在天體物理學(xué)中，通常用觀測到的事物的特征來為其命名。如果看到一個(gè)紅而巨大的

東西，我們叫它“紅巨星”；如果是白而小的東西，我們叫它“白矮星”；如果是巨大的爆炸，我們叫它“大爆炸”；如果是黑且能吸入一切的東西，我們叫它“黑洞”。多數(shù)情況下，這樣將物體分類沒有什么問題——無論該物體是新發(fā)現(xiàn)的，還是我們已知的。但是，天文學(xué)家有時(shí)會(huì)過分咬文嚼字，因?yàn)橐恍┬掳l(fā)現(xiàn)對事物的名字提出質(zhì)疑，并進(jìn)行評估和修改，就像冥王星那樣。你說類似“黑洞”這種命名清晰的事物不會(huì)出現(xiàn)以上狀況？你錯(cuò)了。

盡管我們不能直接觀察黑洞，但我們可以看到兩種黑洞——恒星質(zhì)量黑洞和超大質(zhì)量黑洞——對其周圍事物的影響。恒星質(zhì)量黑洞是人們較為熟悉的，是恒星在死亡過程中塌縮的產(chǎn)物。在大約一個(gè)世紀(jì)以前，愛因斯坦的廣義相對論就已預(yù)言了它的存在。恒星質(zhì)量黑洞通常只影響離它最近的一兩個(gè)恒星的行為。而超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量至少是太陽質(zhì)量的100萬倍，雖然我們不知道它們是怎么形成的，但它們幾乎存在于每個(gè)星系的中心，有時(shí)擁有改變其所在星系外貌的能量。這種能量使得描繪超大質(zhì)量黑洞的特性尤為棘手。在一個(gè)星系中心區(qū)域，恒星、氣體和塵埃不斷靠近超大質(zhì)量黑洞，越來越緊密地?cái)D進(jìn)一個(gè)越來越小的空間。這里的溫度會(huì)不斷升高，直到達(dá)到一個(gè)臨界值，把一切事物都撕裂，變成原子、粒子。當(dāng)我們發(fā)現(xiàn)超大質(zhì)量黑洞時(shí)，看到的并不是黑洞本身，而是軌道碎片（即吸積盤）放射出的熱。有些超大質(zhì)量黑洞吸入的物質(zhì)比其他黑洞多，同時(shí)也比其他黑洞釋放出明顯更多的光。這些活動(dòng)星系核是宇宙中最強(qiáng)大、最有能量的存在。它們不僅能釋放熱，還能以準(zhǔn)直噴流形式（垂直于吸積盤，從星系中心噴出）噴射出物質(zhì)，其規(guī)模使得吸積盤乃至星系本身都相形見絀。另外，有的活動(dòng)星系核還帶著塵埃環(huán)，形狀酷似甜甜圈，和吸積盤在同一平面上，但遠(yuǎn)比吸積盤大且厚。實(shí)際上，這些塵埃環(huán)如此之厚，你如果從側(cè)面觀察，完全看不到吸積盤，更看不到中心的黑洞。

盡管有活動(dòng)星系核標(biāo)準(zhǔn)模型（超大質(zhì)量黑洞被吸積盤包圍，吸積盤有噴流向相反方向

噴射，吸積盤被塵埃環(huán)環(huán)繞），但是我們要對其進(jìn)行細(xì)致觀察仍然是個(gè)挑戰(zhàn)。我們看到的光并非總是展示同樣的景象：我們時(shí)而能看到噴流，時(shí)而看不到；有時(shí)能看到塵埃環(huán)，有時(shí)看不到；有時(shí)我們看到的光極為集中和明亮，以至于都很難說那里是否有星系。所以，我們根據(jù)這些特征，給遙遠(yuǎn)太空中星系的如活動(dòng)星系核進(jìn)行命名，如果其核心的光亮超過了可見光中的所有恒星，就將其稱為類星體；如果其星系核發(fā)射強(qiáng)紅外光，就將其稱為賽福特星系（因天文學(xué)家卡爾·賽福特于1 9 4 3年首次發(fā)現(xiàn)而得名）；有些星系的活動(dòng)星系核與噴流發(fā)射出的光主導(dǎo)了射電頻譜的活動(dòng)，就將其稱作射電星系。

如果它們都是由超大質(zhì)量黑洞作用而成，為什么會(huì)形狀各異呢？其中一個(gè)原因可能是我們的觀察角度不同?；顒?dòng)星系核統(tǒng)一理論假定，所有活動(dòng)星系核都具有同樣的基本構(gòu)成模塊（吸積盤、噴流、塵埃環(huán)）。我們觀察到的活動(dòng)星系核間的顯著差異是由它們在太空中的方位造成的。在宇宙尺度上，從地球觀測宇宙的角度只有一個(gè)。我們看到星系無序地分布于我們周圍，有的側(cè)向，有的正向，呈現(xiàn)出各種角度。但是隨著超級計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，現(xiàn)在我們可以比以前更好地模擬這些星系，隨意繞它們飛行，從各個(gè)角度欣賞它們的景象。我們可以取一個(gè)活動(dòng)星系核，換一個(gè)視角以便從噴流直看下去，看到星系核心，使其像一個(gè)耀變體（類似燃燒中的類星體）；然后傾斜這個(gè)活動(dòng)星系核直到其噴流與視角呈90度，這時(shí)活動(dòng)的星系核就好像從耀變體變?yōu)轭愋求w，最終變?yōu)橘惛Ｌ匦窍怠?/p>

然而，活動(dòng)星系核仍然是天體物理學(xué)的一個(gè)懸而未決的問題，可能還有其他因素在起作用，比如我們沒有完全了解的黑洞周圍和黑洞內(nèi)的物理過程，以及我們還沒有想到的測量方法。隨著望遠(yuǎn)鏡的不斷升級和新信息的不斷積累，我們希望將來能看到這些活動(dòng)星系核的真正樣子。否則，我們還會(huì)需要更多的名字。

最數(shù)字

30億年

美國《科學(xué)新聞》雙周刊網(wǎng)站2015年12月18日發(fā)表題為《固態(tài)“內(nèi)內(nèi)核”或許是地球早期遺留下來的》的報(bào)道，稱地球的最深處可能比我們以前認(rèn)為的要老數(shù)十億年。最新的地球形成模擬實(shí)驗(yàn)表明，地球內(nèi)核的最深處在地球成形后不久便固化，而不是在約30億年后與內(nèi)核其他部分同時(shí)固化。

14光年

科學(xué)家一直在搜尋人類可能居住的第二個(gè)“地球”，他們?nèi)缃裾业搅艘粋€(gè)新的候選者——Wolf1061c。這顆巖石行星的質(zhì)量比地球的4倍還大，是迄今在太陽系外發(fā)現(xiàn)的宜居行星中離我們最近的一顆。它圍繞著旋轉(zhuǎn)的恒星離我們只有14光年。該研究的主要作者、新南威爾士大學(xué)的鄧肯·萊特博士說：“這是一個(gè)非常激動(dòng)人心的發(fā)現(xiàn)，因?yàn)檫@顆行星的質(zhì)量很小，滿足成為巖石行星、擁有固體地表的條件。”

35千米

中科院上海硅酸鹽所的科學(xué)家研制出一種高性能超級電容器電極材料——氮摻雜有序介孔石墨烯。該材料具有極佳的電化學(xué)儲(chǔ)能特性，可用作電動(dòng)車的“超強(qiáng)電池”，充電只需7秒，即可續(xù)航35千米。相關(guān)研究成果已于2015年12月18日發(fā)表在世界頂級期刊《科學(xué)》雜志上。氮摻雜有序介孔石墨烯不僅能實(shí)現(xiàn)高能量密度、高功率密度，還可以通過使用水基電解液，做到無毒、環(huán)保、價(jià)格低廉、安全可靠。

14.5萬美元

你是否有過成為宇航員的夢想？美國航空航天局近日開通了宇航員申請網(wǎng)頁，有志成為宇航員的人可以在2016年2月18日之前提交申請材料。如果成功入選，這些未來的宇航員將有機(jī)會(huì)登上國際空間站和獵戶座飛船，幫助人類實(shí)現(xiàn)登陸火星的愿望。他們的年薪最高會(huì)達(dá)到14.5萬美元。