黑洞為什麼會閃爍?磁流體力學有簡單答案

作者 | 發布日期 2023 年 02 月 12 日 0:00 | 分類 天文 line share follow us in feedly line share
黑洞為什麼會閃爍?磁流體力學有簡單答案


黑洞是扭曲時空的黑暗怪獸,但與直覺相反,有些黑洞十分明亮──嚴格來講不是黑洞本身亮,而是黑洞四周有圈發光的「吸積盤」,盤亮度有時甚至比整個星系還高。

這些異常明亮、稱為「類星體」(quasar)的巨大黑洞,天文學家發現亮度並非恆常不變,而有時間不等的亮度變化,這現象或許與黑洞吸積盤如何吞噬天體有非常高的關連性。

來自台灣、現於澳洲國立大學(ANU)天文學與天體物理學系(RSAA)就讀博士班的湯濟家與研究團隊觀察超過5千個黑洞,分析長達五年觀測資料,運用磁流體力學模型找到十分明確的規律。研究於2月發表於知名《自然天文學》(Nature Astronomy)期刊。

▲ EHT拍攝的銀河系中心黑洞,光環即吸積盤在發光。(Source:EHT

黑洞周遭的極端環境,許多物理定律與地球日常規則大不同,引力和磁場交互作用是不可忽略的關鍵因素。但黑洞吸積盤結構非常混亂且高速旋轉,究竟要如何由吸積盤活動解釋類星體光度變化,一直令天文學家十分困惑。

▲ 藝術家想像的黑洞與吸積盤。如何解釋吸積盤上方湍流的物理現象是大難題。 (Source:NASA

最新研究,得益於NASA在夏威夷的ATLAS望遠鏡長時間巡天觀測,研究團隊得以詳細記錄每個類星體不同時間點的亮度變化,並運用統計法分析數據。團隊仔細觀察5千個最明亮類星體,發現當依照吸積盤大小、亮度和顏色分類時,亮度變化模式與吸積盤環繞黑洞的速率有普遍相關。

天文學家過去研究吸積盤亮度變化時,會將許多各種類星體性質考慮進去,形成很長很複雜的關係式。但此研究以大量觀測資料為基礎,當時間差換成以熱平衡時間尺度為單位後,吸積盤亮度變化和時間差會呈現簡單線性關係,也就是說不論吸積盤大小、亮度或顏色,只要以熱平衡時間尺度為單位,類星體亮度變化模式都一樣。這結果與建立於磁流體力學、稱為磁旋轉不穩定性理論的預測結果十分相符,可說是為黑洞吸積盤的研究指明一條清晰的路。

▲ 左圖是時間差與類星體光度變化的關係,右圖是此研究重新考量吸積盤的熱平衡時間尺度重新繪製的座標,比左圖關連性更佳,也符合磁旋轉不穩定性理論預測。(Source:Nature

磁旋轉不穩定性理論1998年提出,此研究確認可解釋磁場如何與黑洞吸積盤上物質交互作用,最終導致時間不同有亮度變化。這項發現開闢了研究黑洞吸積盤性質的新途徑,下一步是更仔細檢查不同類星體亮度的細微差異,看看這些資訊是否包含辨識黑洞吸積盤角度的線索,使我們更全面性了解黑洞的性質。

(本文由 台北天文館 授權轉載;首圖來源:Pixabay