超紧凑型黑洞：耀斑让我们看到了银河系中心的极端环境

在银河系的中心，有一个巨大的黑洞，它的质量相当于4万个太阳。它被称为人马座A，是天文学家研究广义相对论和黑洞性质的理想实验室。在过去的几十年里，多个研究团队已经用不同的方法测量了它的质量，并得到了一致的结果。其中之一就是马克斯·普朗克地外物理研究所（MPE）的团队，他们的主任Reinhard Genzel因此获得了2020年诺贝尔物理学奖。

最近，MPE的团队利用欧洲南方天文台（ESO）的超大望远镜干涉仪（VLTI）和近红外干涉仪GRAVITY，对人马座A周围发光的气体进行了精密观测。这些气体时不时地会产生耀斑，即发射强度急剧增加的现象。这些耀斑每天发生一到两次，持续时间约为一小时，可以用GRAVITY追踪它们在黑洞附近旋转的轨迹。

通过分析2018年、2021年和2022年期间观测到的耀斑，该团队重新确定了人马座A的质量为4.297万太阳质量，并且将其限制在一个非常小的区域内。这个区域只有九个引力半径大，比金星绕太阳运行的轨道还要小得多。这意味着黑洞具有极高的密度和强度。“我们现在从几个引力半径处观测到的耀斑得出的质量与从几千引力半径处观测到的恒星轨道得出的质量是一致的，”MPE理论建模组负责人Diogo Ribeiro说。“这支持了银河系中心存在一个单一黑洞的假设。”

除了测量黑洞质量之外，研究耀斑还可以揭示银河系中心区域的结构和演化历史。该团队发现，耀斑轨道的方向与距离黑洞更远处恒星盘形成的方向非常接近，表明它们之间有物理联系。“我们很高兴看到耀斑有重复和相似的特征，”分析耀斑偏振数据的Antonia Drescher说。“它们都在天空中顺时针旋转；它们都有相似的半径和周期。这真是太美妙了。”

恒星盘可能是为黑洞提供物质来源的地方。来自恒星强风的气体可能被黑洞吸引，并且在向内落入过程中失去初始角动量，最终形成接近事件视界尺度上运动的气体流。“偏振数据给我们提供了丰富的信息，让我们能够更好地理解银河系中心区域的物理过程，”Ribeiro补充说。耀斑动力学甚至可能包含有关黑洞旋转方向和速度等未知参数的线索 - 这是目前天文学界的一个悬案。

为了更直观地展示耀斑的运动，该团队还制作了一段动画，模拟了GRAVITY观测到的耀斑在黑洞周围的轨迹。动画中可以看到，耀斑在黑洞的强烈引力作用下，以接近光速的速度旋转，并且受到相对论性的多普勒效应和引力红移的影响。这些效应使得耀斑在不同方向上看起来有不同的亮度和颜色。“这是一次非常精彩的观测，”MPE的首席科学家Frank Eisenhauer说。“它让我们能够直接探测到黑洞周围最极端的环境，并且验证了广义相对论的预测。”