【黑暗之心：銀河系中心黑洞即將爆發】
編譯自：《新科學家》作者：Shea
位於銀河系中心的超大黑洞，很長時間以來，一直是一位溫和的巨人——但這一切可能會在今年改變，因為在沉睡了許久之後，它即將醒來，進食它的第一頓大餐。
我們銀河系的中心是一個極端之地。“在銀河系中，那裏的恒星密度最高，恒星運動速度最快，氣體儲量最集中，磁場也最強。”美國加利福尼亞大學洛杉磯分校的天文學家馬克·莫里斯（Mark Morris）說。而潛伏在銀河系正中心的，則是宇宙中最難以理解的天體——我們銀河系自己的超大品質黑洞。
這個品質高達太陽400萬倍的黑色巨獸，被稱為人馬A*（Sgr A*），能夠讓恒星以每小時近2000萬千米的速度繞著它疾馳。然而，這也是一頭溫順的巨獸，只吞噬稀薄的星際氣體當作零食。那些氣體在葬身其腹之前，會釋放出暗弱的射電輻射。
如今，它的“性格”即將發生改變。過去，人馬A*產生過大規模爆發，把銀河系塑造成了今天這個模樣。2013年年底，一團被稱為G2的氣體雲將靠近它的邊緣，我們將首次目睹一個黑洞如何從沉睡中蘇醒。對於是什麼讓一個星系的黑暗心臟開始跳動，我們將獲得前所未有的認識。
研究銀河系的中心並不容易。它發出的可見光在抵達地球之前，幾乎就會被大量的塵埃吸收乾淨。如果陽光也會遭遇同樣的消光，正午的太陽看上去就會比北極星還要黯淡，白晝的天空也會黑得深不可測。因此，為了能夠看得清楚，我們必須求助於能夠穿透那些塵埃的輻射——也就是射電波、紅外線和X射線。
過去幾十年來，工作在這些波段上的地面和空間望遠鏡所作的觀測已經表明，放眼宇宙，人馬A*其實沒有特別突出的地方。它只比太陽明亮100倍，而區區一顆恒星，比如說獵戶座中的參宿四，亮度就高達太陽的10萬倍。還有一些黑洞重達太陽的數十億倍，落向它們的氣體會被加熱而發出輻射，從而爆發成類星體。
類星體是宇宙中最明亮的天體，發現於1963年4月。然而，它們遙遠的距離使得我們難以對其展開研究。美國西北大學的達里爾·哈格德（Daryl Haggard）說：“仔細研究我們銀河系的中心，包括G2的遭遇，可能是我們詳細瞭解這些現象的最佳機會。”
天文學家用來瞄準人馬A*展開觀測的最新設備，是美國宇航局（NASA）在2012年6月發射升空的核分光望遠鏡陣（NuSTAR）。它可以在最高能的X射線波段上細緻地觀測天空，這類輻射正是位於黑洞邊緣的灼熱氣體會發射出來的。
2012年，NuSTAR探測到了來自人馬A*的X射線爆發。這可能源自於繞著黑洞轉動的氣體內部貫穿的磁場：隨著磁場纏繞得越來越緊，它們可能會突然“短路”，像太陽耀斑那樣產生一道耀眼的閃光。又或者，磁場可能從氣體盤中旋轉著完全脫離出來，產生一道狹窄的能量噴流。許多類星體都“驕傲地”展現出延伸長達數千光年的巨大能量噴流，人馬A*的小規模爆發或許也會向我們展示這些噴流的形成過程。
也有可能，這些爆發完全是另一回事。英國萊斯特大學的謝爾蓋·納雅克欽（Sergei Nayakshin）認為，這次X射線爆發具備了所有的特徵，來自於一團比G2小得多的氣體，在黑洞的邊緣被加熱到了1億度的高溫。
死定了的行星
他的觀點是，這團過熱氣體是一顆命運多舛的小行星的遺骸，直徑原本有10千米，源自於一個可能圍繞銀心旋轉的巨型小行星帶。這顆落向黑洞的小行星曾經近距離飛掠過銀心黑洞，最近時到黑洞的距離跟太陽到地球的間距相當，結果被黑洞強大的引力撕碎。“如果一顆小行星闖到了人馬A*附近太過於靠近一顆恒星或行星的地方，它的軌道就會發生變化，” 納雅克欽說，“如果被拋向黑洞，那它就死定了。”
納雅克欽估計，大約每十萬年，就會有一顆不幸的行星用同樣的方式，甚至在更壯觀的爆發中結束它的一生。這樣的“死亡”可以解釋人馬A*一個世紀前發生的一場爆發，當時它的亮度達到了太陽100萬倍，爆發的回光（類似回聲，只不過主體是光，而不是聲音）仍在銀河系中心附近回蕩。這樣的回光現象，也就是輻射在附近氣體雲團上的反射，最早是在可見光波段，在一顆熄滅已久的爆炸恒星周圍發現的。過去10年來，兩顆X射線衛星一直在監視我們銀河系的中心，已經看到了一波明亮的X射線在那裏的寒冷氣體雲中傳播。哈格德說：“通過這些觀測往前回溯，我們可以得出結論，人馬A*在最近100年前曾經發出過非常強勁的輻射。”
目前，我們還無法分辨這場爆發是一顆行星最後的呻吟，還是黑洞磁場打了一個巨嗝。對於未來的爆發，我們應該能夠分辨出來，這要得益於名副其實的事件視界望遠鏡（Event Horizon Telescope）。
要看清人馬A*的最細微之處，就需要盡可能使用最大的望遠鏡，事件視界望遠鏡符合這一要求。它其實是一台“虛擬”的望遠鏡，由世界各地的射電望遠鏡相連而成，這使得它的等效口徑足有地球那麼大。在它的首次觀測中，3台相連的射電望遠鏡盯著人馬A*進行了足夠細緻的觀測，發現一團氣體就位於黑洞的邊緣，也就是它的事件視界上。隨著智利和南極洲上更多的射電望遠鏡加入進來，這台望遠鏡的靈敏度將進一步提高，應該能夠觀測到人馬A*的爆發是向內下落還是向外噴射——前者標誌著小行星或者行星的瓦解，後者則是能量噴流的特徵。
相對于能讓萬億顆太陽都黯然失色的類星體，銀河系中心100年前的爆發簡直微不足道。但進一步的銀河系考古發現了銀河系核心曾經更劇烈爆發的證據，爆發時的耀眼程度直逼類星體。那場爆發在銀河系中心的兩側，形成了兩個巨型高溫氣泡，現在分別高達25000光年。這兩個“費米氣泡”是在2010年由NASA的費米衛星發現的，這顆衛星專門探測空間中的γ射線。那麼，是什麼造就了如此巨大的結構？
大品質年輕恒星構成的3個星團提供了一條線索：一個星團就在人馬A*附近高速運動，另外兩個在距離稍遠的地方圍繞黑洞旋轉，其中這一便是所謂的“五合星團”（Quintuplet cluster）。這個星團中包含著著名的手槍星雲星（Pistol star），它是整個銀河系中品質最大、最明亮的恒星之一。這些星團的誕生本身就是大事一件，必定會產生更加廣泛的影響。美國西北大學的法爾哈德·尤塞夫－紮德（Farhad Yusef-Zadeh）說：“恒星形成的效率非常低，應該會有50％的氣體被傾倒在了人馬A*上。”有了充裕的氣體可以大塊朵頤，人馬A*會發生能量相當於太陽1000億倍的爆發，使它像類星體一般閃耀（儘管按類星體的標準，這個亮度只能算是一般般），或許還吹出了兩個巨大的高溫氣泡。
還有其他的解釋。“對於費米氣泡，每個人都有自己偏愛的觀點，”尤塞夫－紮德說，“我認為它是由星暴的能量產生的。”（編者注：星暴是指大規模的恒星形成過程。）但費米衛星還發現了有趣的線索，暗示兩個氣泡中存在一條筆直的“噴流”，這或許標誌著是銀河系中心的黑洞為吹起這兩個氣泡注入了能量。
無論細節如何，費米氣泡的存在都指向了銀河系中心曾經出現過的大規模騷動，涉及到大量氣體的運動——不是落入黑洞，就是坍縮形成我們今天看到的大品質星團。大量氣體的出現很容易解釋：雖然緊挨著人馬A*的周邊區域幾乎沒有氣體，但幾百光年之外就有許多巨大而稠密的氣體雲繞著銀河系中心轉動。其中一塊氣體雲被稱為人馬B2，品質達到太陽的300萬倍，包含100多種不同的分子，其中的酒精足以裝滿一個地球大小的酒杯。問題是，這樣的氣體雲如何會被蹋出原本穩定的軌道，坍縮形成新的星團，還為貪婪的人馬A*黑洞提供了食物。
2013年3月，美國范德堡大學的凱利·霍立－博克爾曼（Kelly Holley-Bockelmann）及其同事提出，罪魁禍首是一個矮星系。這個闖入者驟然撞入銀河系的中心區，壓縮了氣體雲，使它們坍縮形成了明亮的新生恒星，其中就包括手槍星雲星這樣的巨型恒星。剩餘的氣體則被傾倒進了中央黑洞之中。
孤注一擲
哈格德已經觀測過數十億光年以外與銀河系類似的星系，他估計這樣的騷動在星系的一生中會反復發生，或許每1000萬年到1億年就會出現一次。這意味著銀河系中心黑洞的下一次大規模爆發還要等很久才有可能發生，也意味著天文學家將更加熱切地期待即將在2013年年底發生的爆發事件。
德國馬普學會地外物理研究所的斯特凡·吉勒森（Stefan Gillessen），在檢查他和同事過去10年來收集的人馬A*的圖片時，發現了氣體雲G2。他說，這完全是個驚喜。G2不像周圍高速運動的恒星那樣，在安全距離上圍繞銀心黑洞旋轉，而是在孤注一擲地幾乎徑直沖向黑洞。吉勒森作出的最合理猜測是，這團氣體雲是附近恒星吹出的星風相互碰撞減速而形成的。
還有人提出，G2是一個年輕恒星周圍正在形成的行星系統中蒸發出來的氣體——這或許稱得上是最為極端的觀點。如果這種推測屬實，我們即將目睹的就將是一個飽受摧殘的行星系統，以比海王星到太陽更近的距離，從一個超大品質黑洞旁邊掠過的場景——這肯定會成為未來某部科幻電影中的一個場景。
等到今年年底，隨著G2經過距離黑洞最近的地方，它的一部分氣體開始被黑洞吸入，會有更多的資訊顯現出來。尤塞夫－紮德說：“這將是一件非常非常大的事件。”首先，它將告訴我們一些關於黑洞周圍氣體環境的資訊。如果人馬A*周圍幾乎沒有氣體存在，G2在黑洞引力的作用下被擠壓成長面條形時，就只是會升溫而已。紅外望遠鏡將看到它的亮度會激增，其他設備將探測不到任何東西。
相反，如果在黑洞周圍潛藏著一個至今未被我們發現的稠密氣體盤，G2在高速撞入氣體盤的過程中，就將產生X射線和射電波的爆發。這樣的碰撞甚至會向我們透露，人馬A*有沒有在向外發出能量噴流——只不過因為太小，天文學家無法用普通望遠鏡觀測到它。
吉勒森和同事從2013年3月便開始了觀測，預計會緊盯著它，直到2014年3月。哈格德也參與了這項漫長的監測。她說：“G2和人馬A*之間的這場遭遇戰，整個過程可能會持續幾年，甚至更長時間。”如果剩餘的氣體在黑洞周圍形成一個持久的氣體盤，我們甚至可能看到一個微縮版的類星體，向太空中射出更強勁的噴流。
我們應該為此擔心嗎？恐怕沒有必要。相對於星系的尺度上，G2還是太小了——它的品質最多只相當於3個地球，因此沒有人預期它會在銀心引發類星體那樣的大規模爆發。莫里斯說，那種大規模的爆發或許還要再等1000萬年才會發生。即便到了那時，如果我們的子孫後代還活著的話，他們也沒必須鑽進距離最近的防空洞。“在銀河系中心出現的爆發和類星體，對天文學家來說雖然是個絕好的機會，但它們對地球產生重大影響的可能性極小，”莫里斯說，“有25000光年的距離，我們離那片危險區域還很遙遠。”
如果我們能跨越25000光年，親身前往銀河系中心近距離觀賞這一事件，那將會相當壯觀。“我們在那裏能夠看到的‘夜空’會讓你歎為觀止，”莫里斯說，“在地球的夜空中你每看到一顆星星，在那裏你會看到100萬顆。”不過，尤塞夫－紮德說，由於存在高強度的背景輻射，再加上還有一個不可預測的黑色巨獸潛伏在附近，那裏大概不是我們會考慮要去的地方。用他的話來說，“絕不可能！我又沒瘋，我知道在那裏我身上會發生什麼——我可是很珍惜生命的！”
據國外媒體報導，目前，科學家最新研究顯示，銀河系中心超大品質黑洞周圍存在著冰冷的水和碳氫化合物，它們有助於形成恒星。
天文學家發現星際空間存在冰的證據，水和碳氫化合物分子在特殊波長吸收光線，在紅外線觀測資料中留下鮮明特徵。但是令他們迷惑的是，通常他們認為冰水應當位於地球較近的區域——在地球和銀河系中央之間，而不是正好位於銀河系中心區域，這裏過於熾熱，並且充滿放射線，冰水物質很難存在。
歐洲南方天文臺甚大望遠鏡最新觀測資料顯示冰水物質的確存在於銀河系中心區域。天體物理學和行星學研究中心吉哈恩-莫爾塔卡(Jihane Moultaka)和她的同事繪製一張地圖，呈現冰水物質出現的區域，之後使用一種奇特技術消除周圍其他特徵，發現冰水物質存在於銀河系中心區域。
他們將這些位置區域和灰塵路徑進行對比，灰塵路徑中灰塵簇非常密集，顯示大量冰水物質跡象。研究小組認為，冰水物質通常密集粘合灰塵顆粒倖存下來，它們能夠遮罩熱量和放射線。莫爾塔卡說：“銀河系中心超大品質黑洞非常近區域可能存在著很低溫度，我們發現的冰水物質溫度為-263 °C 至-193 °C之間。”
冰水物質的黏性有利於銀河系中心黑洞形成恒星，恒星需要冰冷灰塵氣體才能形成，但是冰冷灰塵氣體並不存在於銀河系內核區域。很難理解銀河系中心超大品質黑洞惡劣環境能夠形成年輕恒星，但是銀河系內核區域的冰水物質可以解釋這些恒星是如何誕生的。
黑洞是個只吃不吐的宇宙“怪物”，被它吃下的星球，基本上都永遠停留在它的“肚子”裏了，它就像傳說中的怪獸饕餮一樣只吃不拉，那麼被它吃下的星球等天體都變成了什麼樣子？目前來看並不好猜測，因為科學家們對黑洞中的世界還所知甚少。
通常恒星級別的黑洞都比恒星的體積要小得多，比太陽品質大十倍的黑洞，其視界直徑頂多也只有十公里，但是星系級的黑洞卻非常巨大，比如銀河系中心的黑洞，其品質約為太陽的431萬倍，視界直徑近5000萬公里。但無論是哪一種黑洞，它們在吞噬星球的時候都會把星球拉碎，可不要理解為碎成碎石塊，因為黑洞的引力能將原子都拉碎，甚至破碎成比誇克還小的粒子，最終聚集到黑洞中心的奇點中。
天文學家們認為，黑洞的奇點是一種密度極高，溫度極高，品質極大的事物，但關於它的一切都還只是假說，因為我們無法驗證黑洞的奇點到底存不存在，然而如果它不存在的話，我們又無法解釋黑洞吞噬的東西到底都去哪里了？黑洞的主要品質都集中在哪里等等問題。
比如，如果說黑洞裏面是虛無的，那麼它吞噬的星球去了哪里呢？總不能變得一無所有了吧？這更難以想像！所以科學家們趨向于認為黑洞中有一個集合了絕大多數物質的奇點，它所吞噬的東西最終都會到達這裏，成為本身就極小的奇點的一部分，但是黑洞的奇點又到底有多小呢？這個問題還無法回答，很可能不同品質的黑洞中的奇點大小也是不一樣的。
超大品質黑洞食量驚人 每年可吞333000顆地球
近日一項最新研究發現，位於遙遠類星體的一個超大品質黑洞正以5.4億千米每小時的速度高速旋轉，這相當於光速的一半。科學家們曾經測量過黑洞的旋轉速率，但從未測量過如此遙遠的黑洞。最新的黑洞位於距離地球60億光年遠的類星體內。
黑洞是異常密集的區域以至於即使是光子也無法逃離它的引力拖拽作用。當黑洞遇到並吞噬宇宙鄰居時，就留下了它存在的證據。黑洞的旋轉速率將提供有關黑洞和它的宿主行星之間關係的線索。
電腦模型顯示黑洞旋轉速率取決於黑洞可以消耗的物質量。例如，從臨近合併星系裏獲得持續穩定的氣體食物供應的黑洞比那些進食飄忽不定——也就是周圍可以消耗的臨近星系非常有限——的黑洞的旋轉速率要快。
類星體RX J1131-1231 內部存在的超大品質黑洞的旋轉速率暗示著這個黑洞的進食非常穩定，很可能是以“切碎”的臨近星系為食，美國密西根大學的天文學家馬克·雷諾茲（Mark Reynolds）這樣說道。根據這個計算，這個超大品質黑洞每年的消耗大約相當於333000個地球。
科學家們希望測量其他甚至更遙遠的超大品質黑洞的旋轉速率，以調查更古老的黑洞的情況有何不同。“測量較大時間範圍內的黑洞旋轉速率的能力使得直接研究黑洞是否會與宿主星系一同進化變為可能。”
然而，測量黑洞旋轉速率並非易事。想要分析RX J1131-1231黑洞流出的X射線只有一種可能，那便是當更近的星系位於類星體和環繞地球的X射線望遠鏡之間。這個更近的星系距離地球30億光年，它會彎曲更遙遠類星體的光線，就像一個變焦鏡頭一樣將光線聚焦在照相機或者望遠鏡上。這個過程被稱為“引力透鏡”。
銀河系是由被氣體、塵埃和恒星組成的盤面，環繞著中央的棒狀核心區組成的星系。銀河系的品質分佈與哈伯星系分類的Sbc極為相似，顯示這是一個螺旋臂結構相對鬆散的棒旋星系。在1990年代，天文學家開始懷疑銀河系是棒旋星系而不是一個普通的旋渦星系。他們的懷疑在2005年被斯皮策空間望遠鏡的觀測證實，這表明銀河系中心的棒比之前預想的還大。
銀河系包含的恒星數量在2,000億至4,000億顆之間，還有至少1,000億顆的行星。確切的數值取決於品質非常低的恒星，這些恒星很難被檢測得到，特別是距離太陽超過300 ly（90 pc）的。作為比較，鄰近的仙女座星系估計擁有1兆（1012）顆恒星。填充在恒星之間空間的，是被稱為星際介質的氣體和塵埃盤面。這個盤面的半徑至少相當程度的對應於恒星盤面的半徑，而氣體層的厚度從冷氣體的數百光年至熱氣體的數千光年。
在銀河系的恒星盤面，沒有在之外就沒有恒星的明確邊界。相對的，恒星的密度隨著與銀河中心距離的增加而遞減。大約在距離中心40,000光年（13,000秒差距），每立方秒差距的恒星數量掉落得比半徑的增加還快，而其原因還不瞭解。環繞在星系盤面周圍的是球狀的星系暈和恒星組成的球狀星團，並進一步的向外延伸，但大小受到兩個銀河的衛星星系，大、小麥哲倫雲的限制，它們的最接近銀河中心的距離大約是180,000 ly（55 kpc）。因此，這些物體可能是從銀河系的附近被逐出的。綜合銀河系的絕對視星等被估計大約是 -20.9等。
經由微引力透鏡和觀測行星淩日，顯示在銀河系內的恒星有許多有多顆行星，微引力透鏡的測量更顯示不被綁定的流浪行星比綁定型星的宿主恒星還要多。銀河系的每顆恒星至少擁有一顆行星，就會有1,000億至4,000億顆行星；依據開普勒太空望遠鏡在2013年1月的研究，顯示開普勒32有5顆行星。分析開普勒在2013年1月的不同資料，估計在銀河系中至少有170億顆地球大小的系外行星。在2013年11月4日，天文學家報告，基於開普勒太空望遠鏡的資料，在銀河系的類太陽恒星和紅矮星的適居帶內，可能有多達400億顆地球大小的行星環繞著。估計可能有110顆行星環繞著類似太陽的恒星運行。2016年的研究顯示，最接近的這類行星可能就在距離4.2光年之處。類似地球大小的行星可能比氣態巨行星更多。除了系外行星，也發現了在太陽系之外系外彗星，彗星在銀河系中可能也很常見。
目前觀測認為仙女座星系（M31）正以每秒300公里的速度朝向銀河系運動，在30-40億年後可能會撞上銀河系。但即使真的發生碰撞，太陽以及其他的恒星也不會互相碰撞。這兩個星系可能會花上數十億年的時間合併成橢圓星系。而來自美國天文臺的發現，史密斯雲的邊緣已經與銀河系的氣體發生作用並推開圍繞銀河的氣體。銀河系會對它施加一個潮汐力，使其分裂。大約2千萬至4千萬年之後，史密斯雲的核心將會撞擊銀河系圓盤。
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在宇宙中最大的星系面前，銀河系像是一隻螞蟻！
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