哈勃发现不该存在的黑洞

好像黑洞还不够神秘似的，最近天文学家使用NASA的哈勃太空望远镜发现了一个让人意想不到的黑洞。在距离我们1.3亿光年远的螺旋星系（spiral galaxy）NGC 3147，有一个吸积盘（accretion disk）在绕着中心的超大质量黑洞旋转，然而这个材料盘出乎意料的薄。

谜团在于，根据当前的天文学理论，这个薄盘不应该存在。然而，如此接近黑洞的吸积盘的意外存在为测试爱因斯坦的相对论（theory of relativity）提供了一个独特的机会。广义相对论（general relativity）将重力描述为空间曲率，狭义相对论（special relativity）则描述时空关系。

左图是旋涡星系NGC 3147的哈勃图像，右图是该星系中心超大质量黑洞的概念图。哈勃图像显示了星系的旋臂（spiral arm）、蓝色的年轻恒星、粉红色的星云、和轮廓上的灰尘。实际上，在这个漩涡星系中心潜伏着一个巨大的黑洞，质量约为2.5亿太阳质量。哈勃对黑洞的观测展示了爱因斯坦的两个相对论。在中心周围旋转的红/黄色部分是被黑洞引力捕获的气体所发出的光。绿色网格显示黑洞嵌入其引力场深处，说明了弯曲的空间。引力场是如此强大以至于光都要努力逃出来，这是爱因斯坦广义相对论中描述的一个原理。物质在黑洞周围快速旋转，使得吸积盘向我们运动的那一侧会变亮，而另一侧因为远离地球而变暗。爱因斯坦的狭义相对论预测了这种称为相对论性射束（relativistic beaming）的效应。NGC 3147位于距离我们1.3亿光年外的北拱极星座（northern circumpolar constellation）天龙座（Draco）。
Credits: Hubble Image: NASA, ESA, S. Bianchi (Università degli Studi Roma Tre University), A. Laor (Technion-Israel Institute of Technology), and M. Chiaberge (ESA, STScI, and JHU); illustration: NASA, ESA, and A. Feild and L. Hustak (STScI)

“我们从未在可见光下如此清楚地同时看到广义相对论和狭义相对论的作用，”来自欧洲空间局、太空望远镜科学研究所（STScI）和约翰霍普金斯大学（都位于马里兰州巴尔的摩）、哈勃研究的团队成员Marco Chiaberge说道。

该研究的第一作者，罗马第三大学（Università degli Studi Roma Tre，位于意大利罗马）的Stefano Bianchi补充说，“这是一个非常接近黑洞的吸积盘，近到以至于速度和引力的强度开始影响光子。除非我们考虑相对论，否则无法解释这些数据。”

像NGC 3147这种星系，因为没有足够的重力来捕获物质从而定期喂食黑洞，黑洞会“营养不良”。因此，薄薄的一层材料会像甜甜圈一样膨胀，而不是形成薄饼状的盘。这就非常令人费解了：为什么NGC 3147中这个“挨饿”的黑洞会有如此薄的吸积盘，跟其他极其活跃的星系中发现的很像，而这些星系往往都有着正在“狼吞虎咽”的巨大黑洞。

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来自以色列理工学院（位于以色列海法）的Ari Laor解释道，“我们以为这是个最好的证据，能确认在一定光度（luminosity）以下，吸积盘不再存在。实际观测的却完全出乎意料。我们发现气体运动的特征，这些现象的唯一解释是，它们是由非常靠近黑洞的物质薄盘产生的。

天文学家最初选择这个星系的目的，是来验证关于低光度活动星系（即包含“节食”的黑洞）的模型。模型预测，当黑洞强大的引力可以束缚大量气体时，会形成吸积盘。这些落入黑洞的物质会发出大量的光，最强大的黑洞会产生称为类星体（quasar）的超亮天体。一旦只有少量材料落入黑洞，吸积盘就会开始分解，变得更暗，结构也会随之改变。

“我们看到的吸积盘是我们原本预计不存在的小型类星体，”Bianchi说，“对于相同类型的吸积盘，发光量应该是它的1000甚至100000倍。显然，对于活动非常微弱的星系，目前的气体动力学模型预测都失败了。”

根据爱因斯坦的相对论，吸积盘深深嵌入黑洞强烈的引力场中，导致来自气盘的光受影响，这个现象使天文学家能够独特地观察黑洞附近的动态过程。

哈勃记录了物质在黑洞周围旋转的速度，超过0.1光速。在这些极限速度下，气体在向地球运动的那一侧会变亮，而在另一侧远离地球时会变暗（relativistic beaming）。哈勃望远镜的观测还表明，气体被牢牢地困在重力井（gravitational well）中，光都在努力爬出来，因此看起来光被拉伸到更红的波长。

研究人员使用哈勃太空望远镜成像光谱仪（STIS）来观察在盘内深处旋转的物质。光谱仪（spectrograph）是一种诊断工具，它将来自物体的光分成多个单独的波长，以非常高的精度确定其速度、温度、和其他特性。天文学家需要STIS清晰的分辨率来分离出来自黑洞区域的微弱光线并阻挡星光的污染。

“如果没有哈勃望远镜，我们就无法得到这个结果，因为黑洞区域的光度很低，”Chiaberge说道，“星系中恒星的光度比核心的任何物体都要亮。如果从地面观察它，我们就会被恒星的亮度完全支配，这会淹没黑洞微弱的光。”

该团队希望能利用哈勃望远镜寻找类似活跃星系中“不太行”的黑洞，更深入研究这些黑洞周围非常紧凑的吸积盘。他们的论文于7月11日发表在《皇家天文学会月刊》（Monthly Notices of the Royal Astronomical Society）上。

参考：
https://www.nasa.gov/feature/goddard/2019/hubble-uncovers-black-hole-that-shouldnt-exist/