在一群黑洞中，我们看到了它的一生

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文章来源：Science Communication And Outreach Unit

编译：郑修肸

校对：魏麟鉴

编排：王璞

后台：库特莉亚芙卡 李子琦 徐⑨坤 胡永葳

原文链接：https://www.iac.es/en/outreach/news/similar-states-activity-identified-supermassive-and-stellar-mass-black-holes

由罗马国家天体物理研究所（INAF）的胡安和加拿大天体物理研究所（IAC）的泰奥共同撰写的文章，描述了星系中心超大质量黑洞的不同活动状态。他们参照与之类似的X射线双星中恒星级质量黑洞的行为，对星系中心超大质量黑洞的不同活动状态进行了分类。这篇文章发表在《皇家天文学会月刊》（MNRAS）上。

活跃星系中的超大质量黑洞表征出类似于我们银河系中恒星级质量黑洞的吸积状态。

图源：Teo Munoz-Darias/Juan A. Fernandez-Ontiveros

黑洞是一种从仅有几倍太阳质量到有上千万倍太阳质量的天体。几十年来，它们的活动周期一直是全方位的研究对象。当恒星级质量黑洞与一颗伴星构成双星系统时，觊觎于伴星的黑洞不断蚕食其气态物质，用以维持自身正常活动；而超大质量黑洞则一般位于大多数星系的中心。当气体、尘埃及恒星进入星系核的引力场，它们就落入了早已布置好的陷阱（广义相对论下引力的本质就是时空弯曲，从下图中可以看出天体引力导致的时空弯曲而形成的凹陷部分确实就像陷阱一样），最终将被这些超大质量黑洞吞噬殆尽。

图源：Baidu

恒星级质量黑洞发展演化的过程迅猛。它们的活动周期短则数月，长则数年，而在此期间会经历不同的状态或阶段。它们拥有特征明显且不断变化的吸积盘（炙热的气体在落入事件视界之前会聚集在吸积盘上）、黑洞风和超高速物质喷流（喷射出的物质通常为等离子体）。其演化活动主要有两大阶段，一是形成吸积盘，二是喷流物质。前者能够通过红外成像，对黑洞周围等离子体的红外辐射观测得到，后者则是当吸积盘冷却后，通过检测强烈的射电波（通常为X射线）观察到。

黑洞物质喷射

图源：NASA/JPL-Caltech

由于质量大得多，超大质量黑洞的演化速度要比恒星级黑洞慢得多。因此，要确定类似于恒星级质量黑洞的阶段及现象是否存在，就必须要观察它们数百万年。然而相较于数百万年，人生之须臾如同蜉蝣一般；此外，星系核是恒星密集区，丰沛的氢和尘埃对光的吸收会掩盖掉星系中央黑洞周围吸积盘的辐射。因此，这种“简单傻等”的方法行不通。

不过还有行之有效的方法。譬如，一个外星人想研究年龄对人类产生的影响，那么它不需要对一个人进行几十年甚至百年的跟踪观察，只需要在人群中拍张照就能达到目的，在这张照片中会包括从婴幼儿时期一直到老年时期的人类。这是因为大量的同类型样本相结合会展现出规律性（顺便一提，这很量子力学）。类似的，在这项黑洞活动状态的研究中，胡安和泰奥二人就利用了167个活跃星系的样本，通过精确的统计数据确定了超大质量黑洞可能的吸积状态。诚然，来自吸积盘的辐射不能被直接探测到，但其中心区域炙热的气体会选择性地吸收辐射并以谱线的形式呈现出来。利用在红外光谱中段区域观察到的氧和氖线，可以证明这些超大质量黑洞也有吸积盘。“这项研究证明了超大质量黑洞也存在吸积态，其性质与我们从恒星级质量黑洞中得知的性质非常相似。在恒星级质量黑洞中，处于‘吸积盘’阶段时会有一个明亮的圆盘，而处于‘喷射’阶段时则会检测到强烈的射电波，相较于强烈的射电波，圆盘则显得非常微弱。”在IAC受训过的INAF科研人员胡安说道。

恒星级质量黑洞

图源：NASA/CXC/M.Weiss

超大质量黑洞

图源：Illustration: CXC/M. Weiss; X-ray: NASA/CXC/NRAO/D.-C. Kim; Optical: NASA/STScI

“这项研究为了解物质（气体）落入黑洞引力范围时的行为打开了一扇新的窗户，并有助于更精确地了解位于大多数星系中心的超大质量黑洞的活动周期。”来自IAC的科研人员泰奥说。

责任编辑：邱煜欣

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