黑洞內側吸積盤「變形」導致噴流方向瞬變,與廣義相對論預言的效應有關

作者 | 發布日期 2019 年 05 月 02 日 19:44 | 分類 天文 , 自然科學 , 航太科技 follow us in feedly

經過 26 年休眠,天鵝座 V404(V404 Cygni)黑洞於 2015 年醒來並開始進食,這次科學家從中發現了一些奇怪的事:黑洞噴流竟在 1 個小時內變換多個方向,意味該黑洞的內側吸積盤旋轉之快超乎想像,根據分析,這可能與廣義相對論預言的參考系拖曳效應有關。



天鵝座 V404(V404 Cygni)是由一個黑洞與一顆恆星組成的聯星系統(黑洞質量比太陽大 9 倍,正在蠶食它的伴星),距離地球約 7,800 光年遠,因在 1989 年帶來一場高能輻射爆炸而被發現,但之後便陷入沉睡,蟄伏長達 26 年,直到 2015 年才再度甦醒與覓食,並被歐洲太空總署研製的「國際伽瑪射線天體物理實驗室(INTEGRAL)」天文衛星、地面 10 台電波望遠鏡組成的超長基線陣列(VLBA)等,捕捉到明亮的高能伽馬射線、無線電爆發。

而這一次,國際電波天文研究中心(ICRAR)科學家發現了很少見過的黑洞噴流畫面。

一般來說,黑洞通常只沿著一個軸的兩個相反方向排出電漿噴流,且軸的旋轉速度很慢,大約 6 個月才完成一個週期。然而,天鵝座 V404 的噴流卻在短短不到 1 小時內變換多個方向,你可以一個大概慢條斯理的旋轉著,而這一個過動的橫衝直撞。

▲ 天鵝座 V404 黑洞的噴流受內側吸積盤影響,方向變換極快。

研究人員原先利用電波望遠鏡,在 4 小時觀測中產生一幅無線電圖像,然而他們沒想到噴流變化如此之快,以至於拍出來的照片只看到模糊的東西,共同作者 Alex Tetarenko 形容,這就好像你用 1 秒的快門速度去拍攝瀑布一樣沒有看頭。

為了糾正這種模糊,研究人員再重新捕捉 103 張圖像,每張照片曝光約 70 秒,接著將照片拼接在一起,因此發現是黑洞最內部約幾千公里寬的吸積盤區域,導致噴流出現這種奇怪行為。

分析表明,內部吸積盤區域似乎被強烈的輻射給「膨脹」成甜甜圈狀,又因噴流來自黑洞或吸積盤最內側,方向由其控制,也因此當內側吸積盤受黑洞引力牽引而快速晃動時,會導致噴流往各種方向噴來噴去。

而這種稱為「歲差(precession)」的軸進動現象,科學家之前還沒有在其他黑洞系統中見過,要想解釋,就得再拿出愛因斯坦的廣義相對論。該理論說明,黑洞這種大型天體會扭曲周遭空間與時間,而當這樣一個巨大物體在旋轉時,它的重力也會拖曳周圍時空,這種效應稱為參考系拖曳(frame-dragging)。

由於在 V404 Cygni 系統中,黑洞的旋轉軸並沒有對準伴星的軌道平面,因而引發參考系拖曳效應使吸積盤內部變形,進而改變噴流方向,產生 VLBA 觀察到的擺動,這是科學家目前能想到噴流為何無方向性的唯一解釋。

此發現為黑洞帶來新的見解,團隊表示,一些極端事件可能影響吸積盤盤面的平衡,導致內部吸積盤擺動,進而發生噴流群魔亂舞現象。新論文發表在《自然》(Nature)期刊。

(圖片來源:ICRAR