我们星系中心的黑洞里正在举行一场相当热闹的派对。利用美国宇航局詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) 的新观测数据，一个天体物理学家团队发现，围绕人马座 A* 旋转的尘埃和气体盘正在持续不断地发出各种耀斑。这个环绕人马座 A* 的物质环被称为吸积盘，它喷发出各种光芒，从仅持续几秒钟的短暂闪烁，到令人难以置信的明亮每日爆发，甚至持续数月之久的微弱闪烁。这些发现详细记录在2月18日发表在《天体物理学杂志快报》上的一项研究中。
为什么人马座 A* 很重要？
人马座 A* 是我们家园银河系中心的超大质量黑洞。它的质量相当于数十亿个太阳，并且周围有一个由气体和尘埃组成的吸积盘。吸积盘也是黑洞的主要光源。人马座 A* 距离地球仅26,000光年，是科学家们可以观测来观察其吸积盘中气体和尘埃流的少数几个黑洞之一。
“基本上所有超大质量黑洞都会发生耀斑，但我们的黑洞是独一无二的，”西北大学天体物理学家、该研究的合著者 Farhad Yusef-Zadeh 在一份声明中说。“它总是活动不断，从未达到稳定的状态。我们在2023年和2024年多次观测了该黑洞，并且在每一次观测中都发现了变化。每次我们都看到了不同的东西，这真的很了不起。一切都没有保持不变。”
研究人马座 A* 可以帮助物理学家更好地理解黑洞的基本性质、它们如何与周围环境相互作用，甚至我们自身星系的演化。
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黑洞的烟花
在新的研究中，该团队使用了JWST的近红外相机 (NIRCam)。该仪器可以长时间同时观测两种红外颜色。他们使用NIRCam观测人马座 A* 共计48小时，在一年时间内分8至10小时的增量进行。这使得他们能够跟踪黑洞随时间的变化，类似于延时视频。
虽然耀斑是预料之中的，但人马座 A* 的活跃程度超出了预期。研究团队看到了各种亮度与持续时间的“持续的烟花”。大约五到六次大耀斑，中间夹杂着数次较小的子耀斑，从吸积盘中喷涌而出。
“在我们的数据中，我们看到了持续变化的、翻滚的亮度，”Yusef-Zadeh说。“然后，砰！突然出现了一个大亮度的爆发。然后，它又平静下来了。我们找不到这种活动的规律。它似乎是随机的。每次我们查看黑洞时，它的活动特征都是新颖而令人兴奋的。”
星系涟漪和潮汐波
研究团队怀疑，短促爆发和长时耀斑背后存在两种不同的过程。这些短促微弱的闪烁就像水面上随机波动的细微涟漪。然而，较长且明亮的耀斑更像是潮汐波，是由更重大的事件引起的。
吸积盘内的微小扰动很可能产生微弱的闪烁。盘内的湍流波动可以压缩一种称为等离子体的带电热气体，并产生暂时的辐射爆发。根据Yusef-Zadeh的说法，这些事件类似于太阳耀斑。
“这就像太阳的磁场聚集、压缩然后爆发太阳耀斑一样，”Yusef-Zadeh说。“当然，这个过程更加戏剧化，因为黑洞周围的环境能量更高、更极端。但太阳表面也活动不断。”
大的、亮的、戏剧性的耀斑很可能更类似于磁重联事件。这是当两个磁场碰撞并以加速粒子形式释放能量时。这些粒子以接近光速的速度传播，并射出明亮的辐射爆发。
“磁重联事件就像静电火花，从某种意义上说，它也是一种‘电气重联’，”Yusef-Zadeh说。
这是测量时间的问题
JWST 的 NIRCam 可以同时观测两个独立的波长（2.1 和 4.8 微米）。通过这一点，研究团队可以比较耀斑的亮度在不同波长下的变化。据Yusef-Zadeh说，以两种波长捕捉光线，就像“看到彩色而不是黑白”。通过在多个波长上观测人马座 A*，研究团队捕获了黑洞行为更完整、更细致的画面。
即使有了强大的NIRCam，该团队仍然感到惊讶。他们意外地发现，在较短波长下观测到的事件实际上在较长波长事件之前就改变了亮度。
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“这是我们第一次在这些波长测量中看到时间延迟，”Yusef-Zadeh说。“我们同时使用NIRCam观测了这些波长，并注意到较长波长比较短波长滞后很短的时间——可能从几秒到40秒。”
据研究团队称，这种时间延迟提供了更多关于黑洞周围物理过程的线索。一种解释是，粒子在耀斑过程中会损失能量，并且在较短波长下损失能量的速度可能比在较长波长下更快。这些变化对于围绕磁力线螺旋运动的粒子是预期的。
在未来的研究中，Yusef-Zadeh 希望利用JWST更长时间地观测人马座 A*，可能连续观测24小时。更长的观测时间有助于减少噪声，并使科学家能够观察到更精细的细节。
“当你观测如此微弱的耀斑事件时，你必须与噪声作斗争，”Yusef-Zadeh说。“如果我们能观测24小时，我们就能降低噪声，看到以前看不到的特征。那将是惊人的。我们还能看到这些耀斑是否显示出周期性（或重复出现），或者它们是否真的是随机的。”
