NASA韦伯望远镜捕捉到银河系中心黑洞发生的耀斑现象

银河系中心黑洞人马座A*，是一场势不可挡的宇宙烟花秀，疯狂爆发的能量似乎没有规律可循。利用詹姆斯-韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope），科学家们观测到了不停的爆发，有的只持续几秒钟，有的则持续数月。 原因何在？ 磁场混乱和等离子体湍流--但真正的奥秘在于，这些令人眼花缭乱的现象是否有更深层次的隐藏秩序。

位于银河系中心的超大质量黑洞正在上演一场不可预知的精彩表演。由西北大学领导的天体物理学家小组利用美国国家航空航天局的詹姆斯-韦伯太空望远镜（JWST），对银河系中心的神秘空洞进行了迄今为止最详细、最深入的观测。

他们的观测结果表明，银河系的中心黑洞人马座 A* 正在不停地发射耀斑--从未间断过。 其中一些耀斑表现为短暂、微弱的闪烁，持续时间只有几秒钟，而另一些耀斑则是每天爆发的强光。 即使是更微妙的变化，也会持续数月之久。 这种无情的活动跨越了巨大的时间范围，从快速闪烁到长时间持续爆发。

美国西北大学的天体物理学家利用美国国家航空航天局（NASA）的詹姆斯-韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope），对银河系中心的超大质量黑洞进行了迄今为止最长、最详细的观察。 他们发现这个黑洞的吸积盘不断发射耀斑，没有休息时间。 这段视频显示的是 2024 年 4 月 7 日拍摄的 2.1 微米数据。 资料来源：Farhad Yusef-Zadeh/西北大学

这些发现可以为了解黑洞的本质、黑洞与周围环境的相互作用以及影响银河系演化的力量提供至关重要的启示。这项研究将于今天（2月18日）发表在《天体物理学杂志通讯》上。

领导这项研究的西北大学法哈德-尤瑟夫-扎德（Farhad Yusef-Zadeh）说："耀斑预计基本上会发生在所有超大质量黑洞中，但我们的黑洞是独一无二的。它持续活动，似乎从未达到稳定状态。 在 2023 年和 2024 年期间，我们对这个黑洞进行了多次观测，每次观测我们都注意到了它的变化。 我们每次都能看到不同的东西，这真的很了不起。 没有什么是一成不变的。"

Yusef-Zadeh是研究银河中心的专家，也是西北大学温伯格艺术与科学学院的物理学和天文学教授。 国际团队的共同作者包括太空望远镜科学研究所的霍华德-布肖斯（Howard Bushouse）、美国国家航空航天局的理查德-阿伦特（Richard G. Arendt）、澳大利亚麦考瑞大学的马克-沃德尔（Mark Wardle）、哈佛大学与史密森学院的约瑟夫-米歇尔（Joseph Michail）以及美国国家射电天文台的克莱尔-钱德勒（Claire Chandler）。

为了进行这项研究，Yusef-Zadeh和他的团队使用了JWST的近红外相机（NIRCam），该相机可以长时间同时观测两种红外颜色。 利用这一成像工具，研究人员对人马座A*进行了长达48小时的观测--以8到10小时为单位，时间跨度为一年。 这使得科学家们能够追踪黑洞随着时间的推移发生了怎样的变化。

虽然尤瑟夫-扎德预计会看到耀斑，但人马座A*比他预想的还要活跃。 简单地说：观测结果显示，焰火的亮度和持续时间各不相同。 黑洞周围的吸积盘每天产生五到六次大耀斑，中间还夹杂着几次小的次耀斑。

尽管天体物理学家还不完全清楚其中的过程，但尤瑟夫-扎德怀疑短脉冲串和较长的耀斑是由两个不同的过程造成的。 如果吸积盘是一条河流，那么短而微弱的闪烁就像是河面上随机波动的小涟漪。 而更长、更亮的耀斑则更像潮汐，是由更重大的事件引起的。吸积盘内的微小扰动可能会产生微弱的闪烁。 具体来说，吸积盘内的湍流波动会压缩等离子体（一种带电的高温气体），从而引起短暂的辐射爆发。 尤瑟夫-扎德把这种现象比作太阳耀斑。

他解释说："这类似于太阳磁场聚集、压缩然后爆发太阳耀斑的过程。 当然，这个过程更为剧烈，因为黑洞周围的环境能量更高，也更极端。 但是，太阳表面也同样活动频繁。"

Yusef-Zadeh将大而明亮的耀斑归因于磁重联事件--这是两个磁场碰撞的过程，以加速粒子的形式释放能量。 这些粒子以接近光速的速度飞行，发出耀眼的辐射脉冲。磁重联事件就像静电火花，从某种意义上说，这也是一种'电重联'。

由于 JWST 的 NIRCam 可以同时观测两个不同的波长（2.1 和 4.8 微米），因此 Yusef-Zadeh 和他的合作者能够比较耀斑亮度随每个波长的变化情况。 尤瑟夫-扎德说，捕捉两种波长的光就像是"用彩色而不是黑白来观察"。 通过用多种波长观测人马座A*，他捕捉到了其行为的更完整、更细微的图像。

然而，研究人员再次遇到了惊喜。 他们意外地发现，在较短波长下观测到的事件，其亮度比在较长波长下观测到的事件稍早发生变化。

"这是我们第一次在这些波长的测量中看到时间延迟，"Yusef-Zadeh 说。"我们用NIRCam同时观测了这些波长，注意到较长的波长比较短的波长滞后很小的量--也许几秒到40秒。"

这种时间延迟为黑洞周围发生的物理过程提供了更多线索。 一种解释是，粒子在耀斑过程中会损失能量--较短波长的粒子比较长波长的粒子损失能量更快。 对于围绕磁场线旋转的粒子来说，这种变化是意料之中的。

为了进一步探索这些问题，Yusef-Zadeh 希望利用 JWST 对人马座 A* 进行更长时间的观测。 他最近提交了一份对该黑洞进行24小时不间断观测的提案。 更长时间的观测将有助于减少噪音，使研究人员能够看到更精细的细节。

Yusef-Zadeh说："观察如此微弱的耀斑事件时必须与噪声竞争。如果我们能观测 24 小时，那么我们就能减少噪音，看到以前无法看到的特征。 我们还能看到这些耀斑是否呈现周期性（或重复出现），或者它们是否真的是随机的。"