20200514為什麼雲在黑洞附近形成

2020/05/17 190 天文探索 , 黑洞 , 太空望遠鏡

一旦你離開了地球上壯麗的天空,「雲」這個詞就不再是指一種白色絨毛狀、看起來會下雨的結構。廣大宇宙中的雲是比周圍環境密度更大的結塊區域。


▲ 這幅插圖描繪了一個類星體(Quasar),是一種活躍星系核(Active Galactic Nucleus,AGN),被塵土飛揚的甜甜圈形狀(環面[Torus])和被稱為「雲」的團塊所包圍。這些雲一開始時很小,但可以擴大到超過 1 秒差距(3.3 光年)寬。在這張圖中,雲層距離環面至少有 1 秒差距(3.3 光年)的距離。(插圖:Nima Abkenar原始插圖下載

太空望遠鏡在超大質量黑洞附近觀測到了這些宇宙雲,這些神秘的緻密天體,沒有任何光線可以從中逃脫,其質量相當於 10 萬個太陽以上。幾乎每個星系的中心都有一個超大質量黑洞,如果它正在吞噬周圍的大量氣體和塵埃,就被稱為「活躍星系核」(Active Galactic Nucleus,AGN)。最亮的 AGN 被稱為「類星體」(Quasar)。雖然黑洞本身無法被看到,但它附近會因為物質在靠近其事件視界(即它的不歸點)的地方被撕碎而閃耀出極亮的光芒。

但黑洞並不是真正的吸塵器,它們不會把所有靠近的物質都吸走。雖然黑洞周圍的一些物質會直接落入黑洞內,且永遠不會再出現,但附近的一些氣體會被拋向外側,形成一個在數千年內膨脹的外殼。這是因為事件視界附近的區域能量極高,黑洞周圍快速移動的粒子所產生的高能量輻射可以將大量的氣體噴出到浩瀚的太空中。

科學家們認為這種氣體的流出會是平滑的。但事實上相反,它是雜亂無章的,並延伸到離黑洞 1 秒差距(3.3光年)以外的地方。每朵雲一開始時很小,但可以擴大到超過 1 秒差距的寬度,甚至可以覆蓋地球與太陽之外最近的恆星比鄰星(Proxima Centauri)的距離。

內華達大學拉斯維加斯分校的天體物理學家丹尼爾·普羅加(Daniel Proga)將這些團塊比喻為在高速公路匝道上等待的汽車群,帶有號誌燈的高速公路入口,用意是在調節新交通的湧入。他說:「每隔一段時間,你就會有新的一群車」。

怎麼解釋這些深空中的車群?普羅加和同事擁有一種新的電腦模型,該模型提出了解決這一謎題的可能方法,模型發表在《天文物理期刊》(The Astrophysical Journal)上,由博士生 Randall Dannen 領導。科學家表示超大質量黑洞附近的極強熱量可以使氣體真正快速地向外流出,但也可能導致團塊形成。如果氣體加速太快,它將無法充分冷卻而形成團塊。電腦模型考慮了這些因素,並提出了一種機制,讓氣體走得夠遠,但也會結塊。

普羅加說:「在外殼外緣附近有一種擾動,使氣體密度比以前低一點。這使得這些氣體的加熱效率很高。冷氣體被這一點更進一步的提升起來了」。

這種現象有點像熱氣球的浮力,使熱氣球浮起來。氣球內的熱空氣比外面的冷空氣更輕,這種密度差異使氣球上升。

Dannen 說:「這項工作很重要,因為天文學家總是需要將雲層放置在特定的位置和速度,以適應我們從 AGN 看到的觀測結果,他們往往並不關心具體上雲層最初是如何形成的,而我們的工作為這些雲層的形成提供了一個潛在的解釋。」

該模型僅查看氣體的外殼層,而不查看黑洞周圍旋轉並向內的物質盤狀物。研究人員的下一步是研究氣體的流動是否源於圓盤本身。他們還想解決的是為什麼有些雲的移動速度極快,約為每小時 2000 萬英里(每秒 1 萬公里),這也是他們感興趣的謎團。

✎ 參考資料 · References

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