國際空間站直擊黑洞「吃星星」：黑洞的光冕收縮了

（原標題：在國際空間站上直擊黑洞「吃星星」：黑洞的光冕收縮了）

澎湃新聞記者 虞涵棋

在科幻電影《星際效應》中，男主角進入黑洞後並未被引力撕碎，而是來到了一個奇跡的高維空間。黑洞吃進物體後會發生什麼？人類現有的科學水平尚不能完全回答這個問題，只能從黑洞吃星星時「打嗝」出的光波略窺一二。

北京時間1月10日凌晨，世界頂級學術期刊、英國《自然》雜誌（Nature）的封面論文，即講述了對一次黑洞吃星星過程的觀測研究，在宇宙學上稱為「黑洞瞬變」事件。

死亡共舞

黑洞作為一類極端天體，是恒星們的其中一種特殊歸宿。隨著恒星核聚變的燃料殆盡，質量小一些的內部坍塌成白矮星，質量大一些的則會坍塌成中子星或黑洞。

根據愛因斯坦引力場方程的計算，如果大量物質集中於空間一點，奇點周圍會形成時空扭曲的「視界」，一旦進入這個界面，連光子也無法逃逸，故而稱為「黑洞」。

黑洞本身雖無光，但大量彌散物質被吸附在黑洞周圍轉動，形成一個發光的盤狀結構。一旦天體進入吸積盤的範圍，就開始被黑洞吞噬。

而沿著這個「吸積盤」中軸線的上下兩端上，科學家們還發現了神秘的黑洞「光冕」，與太陽的「日冕」相似，是一團致密的超高溫等離子體。

《自然》封面論文

正如封面圖片所描繪的，黑洞吞噬恒星的過程以「雙星共舞」的形式展開。恒星或白矮星圍繞著黑洞旋轉，物質不斷被吸收，釋放出巨大的引力波和能量，高速等離子噴流從黑洞中逃逸而出，形成明亮的光柱。

也就是說，黑洞雖然如饕餮般吞食一切，卻不能吃得幹乾淨淨，總是「打嗝」，給天文學家留下可以研究的線索。

「黑洞」中的水滴聲

2018年3月6日，位於智利安第斯山脈托洛洛山頂的兩台「全天自動超新星搜尋項目」望遠鏡捕收獲了一個編號為ASASSN-18ey的光學信號。5天後，國際空間站上搭載的全天X射線圖像監視器（MAXI）捕捉到了一個編號為MAXI J1820+070的X射線源。兩相比對後，天文學家們初步確定這兩個信號來自同一個正在吞噬天體的黑洞，形成一個黑洞雙系統。

值得一提的是，該信號源十分明亮，約在3260光年之外，這已經是目前人類發現的黑洞雙系統中距離地球最近的。

消息公開後，世界範圍內十數台地面望遠鏡和空間設備瞄準信號源，接收分析不同頻段的數據。其中就包括同樣位於國際空間站上的中子星內部組成探測器（NICER）。該載荷針對中子星周圍的極端引力、電磁場和核物理學設計，專門探測極端高密度和高壓下的奇妙物質狀態，因而也適用於黑洞的觀測。

為了理解探測器的工作方式，你可以想像一個「漆黑的山洞」中的水滴。你先聽到水滴聲，再聽到水滴聲反彈到洞壁上的回聲。水滴聲和回聲間的間隔越長，山洞的大小就越大。

對於黑洞而言，「水滴聲」就是從光冕中射出的X射線光子，而「回聲」就是光冕與吸積盤內緣相互作用後二次射出的X射線光子。

黑洞「吃星星」後吸積盤和光冕發生的變化

探測器由52對X射線收集器組成，可以記錄單個X涉嫌光子抵達的時間和能量，時間分辨率達到100納秒以內，比美國國家航空太空局（NASA）的上一代最精確的X射線計時器快上25倍。

正因如此，這個美、英、荷、日聯合團隊才能夠捕捉到黑洞瞬變過程中X射線光譜的微妙變化：在吃下星星後，黑洞的吸積盤大小保持得相當穩定，光冕的尺寸卻收縮了。

這與此前預測的一種「吸積盤截斷模型「相左。此前，一些科學家們推測黑洞吃星星時吸積盤旋轉速度變快，從而收縮。如今，高精度的X射線探測器描述了不同的圖景。不過，為了排除個例的特殊性，這種新的描述模型尚需更多的案例檢驗。