黑洞經常被認為是“貪婪”的代名詞，凡是靠近它的都會被它吞噬掉。但是，這是真的嗎？我們是不是誤解了黑洞？天文學家們正經對待這個問題，進行了一系列探索，最新的進展如何，讓我們一探究竟。
黑洞的“吸積”與“外流”
宇宙中幾乎所有的星系中心都存在一個超大質量黑洞。黑洞有一個球形的勢力範圍，黑洞就坐落在這個勢力範圍的中心。在這個勢力範圍內，黑洞的引力控制著一切。這個勢力範圍尺度比黑洞本身的尺度（黑洞的引力半徑）大5到6個數量級。
星系裡面的氣體進入黑洞的勢力範圍後，會在黑洞引力的作用下落入黑洞視界。氣體向黑洞下落過程中形成的氣體流被稱為吸積流。根據吸積流的溫度可以將吸積流分成“冷”、“熱”兩種。宇宙中大部分黑洞周圍的吸積流都是熱吸積流。
圖1 黑洞的藝術家想象圖（圖片製作：上海天文臺，背景圖片來源於NASA/JPL-Caltech和Misti Mountain Observatory）
二十幾年前，黑洞吸積領域普遍認為，進入黑洞勢力範圍的氣體最終都會進入黑洞視界。然而，1999年美國普林斯頓大學的一個研究團隊卻發現，當吸積流處於“熱”吸積模式時，進入黑洞勢力範圍的絕大部分氣體都不會落入黑洞。這完全顛覆了該領域的共識！中科院上海天文臺袁峰研究員領導的課題組於10年前的研究發現，當吸積流處於”熱“模式時，進入黑洞引力範圍的絕大部分氣體會變成外流，流出黑洞的勢力範圍，回到黑洞所處的星系中。
雖然理論上“熱”吸積流會產生外流，然而，觀測上卻一直沒有熱吸積流外流存在的直接證據。
從黑洞吸積流和外流輻射出的光子去尋找答案
黑洞的吸積流都是高溫帶電的電離氣體，可以輻射出光子。科學家一般透過黑洞吸積流輻射的光子來研究吸積流的性質。黑洞吸積流大部分的輻射來自於非常靠近黑洞的地方（10個引力半徑附近）。這些黑洞附近產生的光子會向外移動。黑洞的外流產生於距離黑洞較遠的地方（幾十個引力半徑以外）。
黑洞輻射的光子和黑洞外流都在遠離黑洞運動。雖然黑洞外流產生在距離黑洞更遠的地方，但由於其運動速度遠小於光速，外流往往會被吸積流輻射的光子追上。光子在穿過外流時，其中的一部分會被外流吸收。因此，在黑洞的輻射光譜上會產生“吸收線”。同樣，外流氣體向外運動的過程中也會輻射一定頻率的光子，產生“發射線”。“發射線”和“吸收線”的強度都取決於氣體的密度。
由於熱吸積流外流的密度極低，無論是發射線還是吸收線都較弱，很難被直接觀測到。在我們觀測黑洞的視線上，擋在黑洞前面的外流，朝著觀測者運動；在黑洞另一側的外流在遠離觀測者運動。由於多普勒效應，朝向我們運動的外流所產生的吸收線是藍移的；而發射線既有（遠離我們運動的外流產生的）紅移成分，也有（朝著我們運動的外流產生的）藍移成分。
首次發現熱吸積流存在外流的直接觀測證據，驗證理論預言
近日，由南京大學的李志遠教授領導的課題組分析了一個典型的存在熱吸積流的黑洞——M81*的高解析度X射線光譜（如圖2所示），他們發現鐵元素的Kα發射線存在紅移和藍移特徵。結果表明，這些發射線是從徑向速度約每秒3000千米的氣體中發出來的，而且這些氣體的溫度為12千電子伏特（約相當於1.2億開爾文）。
圖2 觀測到的鐵的藍移、紅移發射線，及其與基於模擬資料計算得到的理論譜線的對比，表明數值模擬結果與觀測非常吻合。（取自Shi et al. 2021, Nature Astronomy）
為理解這些觀測結果，由上海天文臺的袁峰研究員領導的課題組對M81*的熱吸積流的外流進行了磁流體動力學數值模擬，並計算出吸積流外流產生的發射線性質，發現與觀測結果非常吻合。
這一結果證明M81*中的確存在很強的外流，首次發現了熱吸積流存在外流的直接觀測證據，驗證了熱吸積流理論的預言。這有助於天文學界更好地理解黑洞的吸積過程、黑洞與星系的共同演化等重要科學問題。
論文連線：https://www.nature.com/articles/s41550-021-01394-0
來源：中國科學院上海天文臺
